研究了固体氧化物燃料电池Sr_(2)Fe Mo_(0.6)Mg_(0.25)Al_(0.15)O_(6) (SFMMA)双钙钛矿阳极的晶体缺陷结构、热膨胀性能、电荷传输特性、氧化还原稳定性以及电化学性能。结果表明:SFMMA室温下为I 4/m四方结构,400℃时材料转变为F m 3 m立方结构。SFMMA材料的实际晶体结构式为Sr_(2)(Fe_(0.75)Mg_(0.25))(Mo_(0.6)Fe_(0.25)Al_(0.15))O6-δ,材料晶格中含有大量反位缺陷FeB’以及—Fe_(B)—O—Fe_(B’)—键,有利于氧空位的形成及氧离子的迁移扩散。SFMMA的热膨胀系数在25~400℃和400~900℃范围内分别为13.0×10^(–6)K^(–1)和17.6×10^(–6)K^(–1),在氢气气氛下600~900℃温度范围内电导率超过35 S·cm^(–1),并且具有较快的氧表面交换特性以及非常优异的氧化还原循环结构稳定性。在900,850,800℃和750℃时,湿润H_(2)(3%H_(2)O,50 m L/min)气氛中,SFMMA/La_(0.4)Ce_(0.6)O_(2)(LDC)/La_(0.8)Sr_(0.2)Ga_(0.8)Mg_(0.2)O_(3)(LSGM)/LDC/SFMMA对称半电池面比电阻分别为0.096,0.142,0.239Ω·cm^(2)和0.447Ω·cm^(2)。以SFMMA为阳极组装电解质支撑型单电池SFMMA/LDC/LSGM (300μm)/Pr Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(1.5)Fe_(0.5)O_(5)+δ,850℃时电池最大功率密度可达886 m W·cm^(–2)。
为获得高性能ReBaMn_(2)O_(5+δ)对称电极材料,本工作通过第一性原理计算分析了不同稀土元素(La,Pr,Nd,Sm,Gd,Y)对材料结构和性能的影响。计算结果表明LaBaMn_(2)O_(5+δ)不易形成层状钙钛矿结构,Gd Ba Mn_(2)O_(5+δ)的结合能最高,对应结构稳定性最好,而Nd Ba Mn_(2)O_(5+δ)则具有较小的Mn 3d和O_(2)p轨道之间的能量差、以及较低的O_(2)p轨道中心与Fermi面的能量差,对应材料较高的电导率和优异的催化活性。选用La,Nd和Gd作为A位元素进行实验研究。结果表明,LaBaMn_(2)O_(5+δ)难以形成单相钙钛矿,但成功合成了具有层状结构的Nd Ba Mn_(2)O_(5+δ)和Gd BaMn_(2)O_(5+δ),其在氧化和还原气氛下均保持良好的结构稳定性。相比于Gd Ba Mn_(2)O_(5+δ),Nd Ba Mn_(2)O_(5+δ)在空气和5%(体积分数) H2/Ar中均具有较高的电导率。且Nd Ba Mn_(2)O_(5+δ)电极在空气和氢气气氛下的极化阻抗均小于GdBaMn_(2)O_(5+δ),表现出更强的催化活性。以NdBaMn_(2)O_(5+δ)为对称电极,300μm的La_(0.8)Sr_(0.2)Ga_(0.8)Mg0.2O_(3)–δ为电解质制备的对称全电池,在850℃下最大功率密度达到335 mW·cm^(-2)。
该工作制备了F离子掺杂的SrFeFxO3-x-δ(SFFx,x=0、0.125、0.25)阴极材料,研究了F离子掺杂对材料结构及电化学性能的影响。结果表明,F离子的引入可使材料在室温下保持立方结构,F离子掺杂显著提高SFFx的电子电导率、降低材料的热膨胀系数、提高材料的氧表面交换系数和体扩散系数,降低电极反应的极化电阻,改善材料的电化学催化特性。电极反应动力学过程研究表明,F掺杂可显著促进氧分子的解离过程,以SFFx与Sm0.2Ce0.8O2-δ(物质的量比1:1)的混合材料为复合阴极,以La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ(300μm)为电解质并作为支撑体,NiO-Gd0.1Ce0.9O2-δ为阳极组装单电池。研究发现,F掺杂提高了电池的功率密度,当x=0.25时,700 o C和850oC时最大功率密度分别可达446和962 mW·cm-2。
