固体氧化物电池电极材料的研究进展

固体氧化物电池电极材料的研究进展

崔静轩 张学凤 刘涛

华北理工大学材料科学与工程学院，河北 唐山 063210

摘要：本文主要综述了固体氧化物燃料电池的阴极材料的基本要求及制备方法，主要有高温固相法、溶胶－凝胶法、燃烧合成法等；介绍了近年来电池中电解质薄膜的制备工艺，并讲述了各种电解质薄膜化技术的制备原理及各自的优缺点；还介绍了Ni基陶瓷阳极性能优化和解决积炭的方法。此外，还对SOFCs阴极、阳极和电解质材料的发展前景进行了展望。

关键词：制备方法；SOFC；阴极材料；阳极材料；电解质薄膜

1前言

化石燃料过度消耗所引发的能源危机和环境污染，引发了可再生能源和新型储能转换系统的蓬勃发展[1]。固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种以离子导电氧化物为电解质的高温燃料电池[2],能够将化学能直接转化成电能，而无需热能的中间转换[3]，受到了研究者的广泛关注。

固体氧化物燃料电池跟其他电池一样，主要由电解质、阴极、阳极三部分组成。要实现电池高效工作，各组件材料的性能很关键。根据工作原理可知，电解质材料必须致密以防止气体泄漏，且具有很高的离子电导；电极材料一般为多孔结构，其具有高的混合电导，同时热膨胀系数与电解质材料接近；阴极材料需要对电极反应具有高的催化活性，若使用碳基燃料，阳极材料要具有足够好的抗积碳性和稳定性 [4]。

电池材料的制备工艺对性能有着决定性的作用。因此，本文就燃料电池的阴极、电解质材料、阳极材料的制备方法及其研究进展作一下介绍。

2 阴极材料的制备

（1）高温固相法： FU[5]以Sm2O3, SrCO3等作为起始原料，采用乙醇湿法混合，球磨后，在1000℃煅烧4h，再球磨20h制备Sm0.5Sr0.5Co0.4Ni0.6O3-δ阴极粉末。

（2）溶胶－凝胶法：在分子水平上将原料混合、反应，一般得到纳米级产物，产品均一性强且活性高，如JIN等通过溶胶凝胶法制成Ba1.2Sr0.8CoO4+δ粉末。

（3）燃烧合成法 ：研究者利用硝酸盐易于低温热分解来制备纳米阴极材料粉体。GAO等[6]通过甘氨酸－硝酸盐法制备La1-xSrxNiyFe1-yO3-δ。

（4）静电纺丝法：通过直接将纳米尺度的纤维生成在电解质的表面，大大地提高SOFC整体的制备效率及最终的发电性能。由图1(b)发电性能的对比图可以发现，利用静电纺丝纳米纤维作为阴极的SOFC性能要明显好于传统SOFC[7]。

图 1 (a)静电纺丝装置及原理示意图(b)两种SOFC的发电性能对比

3 电解质材料的制备

电解质作为SOFC最核心的部件，一方面起着在阴、阳两极之间传导氧离子或质子的作用；另一方面分隔燃料和氧化气体，以防止它们直接接触而发生燃烧反应，导致电池失效[8]。因此，电解质的特性和制备至关重要。

（1）化学气相沉积法(CVD)：利用反应物在气相状态下发生化学反应，在基底表面扩散吸附，然后沉积生成固体薄膜的技术。

（2）喷雾热解法：在喷雾热解技术中，通常将前体溶液雾化成气溶胶，然后将其导向加热基底，在基底上形成薄膜。该薄膜沉积方法简单，可以使用多种前体，通过前体溶液可以容易的控制膜的组成。

（3）脉冲激光沉积( PLD)：脉冲激光沉积利用激光的高能脉冲对固体靶进行轰击，将物质从靶中分离沉积在基底上，形成薄膜。

（4）电泳沉积( EPD) ：电泳沉积法是在外电场作用下电解质粉体颗粒吸附溶液中的氢离子，形成带电胶体粒子，粒子在电极衬底上沉积，形成均匀且致密的薄层，最后进行高温烧结得到电解质薄层。

4 阳极材料的改性

传统的以镍基-氧化钇稳定的氧化锆( Ni-YSZ) 为阳极材料的燃料电池，由于 Ni 对碳氢键断裂具有高催化活性，阳极易出现碳沉积现象[9]。这会导致燃料扩散通道堵塞，进而影响电池稳定性。可采取以下方法解决 Ni 基阳极积碳问题[10]:

（1）增加电流与水蒸汽重整。HoKoh等研究了甲烷在 Ni -YSZ/YSZ/LSM 电池阳极反应后的积碳行为对电池性能的影响，发现提高电流和润湿CH4均有利于阳极积碳的消除。

（2）增加孔隙率。阳极材料因积碳导致孔隙率下降，燃料气无法快速扩散到阳极反应区，以致浓差极化，发电性能下降。许多研究者通过增加阳极孔隙率，使原料和反应产物气体的扩散传输能力增强，提高电池的发电性能。

（3）金属合金化与添加助剂。催化C-H键断裂而产生积碳是 Ni 基阳极积碳的主要原因，用某些金属制备催化活性合适的陶瓷合金复合阳极，是SOFC减少积碳的有效方法。

三、总结与展望

现如今全球的能源问题日益严重，SOFC其较高的电转换效率和环境友好性等优点受到了广泛关注。本文研究了当前的SOFC阴极材料、电解质材料及其阳极材料的制备（或改性）方法，从中发现材料研究与改进以及其制膜方法的改进与创新，对优化SOFC的性能至关重要。

降低电解质材料制膜制备的成本和工艺的复杂程度，推进电解质的薄膜化。采用合适的方法对 Ni 基阳极进行改性，探索新方法或研究新型阳极，改善 SOFC 的电催化性能，解决积碳问题。同时开发中低温域的新型电解质以及与之匹配的电极材料成为SOFC发展的关键。

参考文献

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[2] Wang Y H, Gu Y C, et al. Efficient and durable ammonia power generation by symmetric flat-tube solid oxide fuel cells [J]. Applied Energy ,2020.

[3] 王敏, 于吉, 等. 基于镧锶锰氧化物基阴极的中温固体氧化物燃料电池的性能优化研究[J]. 可再生能源 ,2020, 38(3): 292–296.

[4] 仙存妮. 固体氧化物燃料电池技术发展概述及应用分析[J]. 电器工业,2019, (3): 70–74.

[5] Fu Y P. Sm0.5Sr0.5Co0.4Ni0.6O3- δ—Sm0.2Ce0.8O1.9 as a potential cathode for intermediate-temper-aturesolid oxide fuel cells[J]. International Journal of Hydrogen Energy ,2010,35(16):8663-8669.

[6] Gao Z, Mao Z, et al. Preparation and characterization of La1-xSrxNiyFe1-yO3- δ cathodes for low-temperature solid oxide cells[J]. International Journal of Hydrogen Energy ,2010,35(23):12905-12910.

[7] 李青山, 彭陆, 等. 无机纳米纤维在固体氧化物燃料电池中的应用[J]. 电源技术,2019, 43(8): 1332–1335.

[8] Mahato N, Banerjee A, et al. Progress in material selection for solid oxide fuel cell technology: A review [J]. Progress in materials science ,2015,72: 141–337.

[9] 谢静, 黄佳原, 等. 固体氧化物燃料电池阳极积碳的研究进展[J]. 电源技术,2020, 50(2): 179–182.

[10] 高珠, 刘鹏翔, 等. 固体氧化物燃料电池阳极材料的抗积炭方法[J]. 工业催化,2018, 26(10): 43–47.

作者简介：崔静轩（1999年2月-）女，汉，河北保定人，大学本科在读。研究方向：材料化学