能源是社会发展的基础,传统发电系统存在能源利用率低、高污染等诸多缺点,固体氧化物燃料电池(SOFC)具有转化效率高、污染低等诸多优点,是基于现有能源供应体系下可实现大规模高效发电的新能源技术。SOFC在发展之初存在操作温度(YSZ电解质操作温度为1000℃)过高的问题,因而引起材料易老化、成本过高及维护不便等一系列问题。SOFC实用化首先需要解决的问题就是其操作温度过高的问题,目前目标是把SOFC的操作温度降到中温(600-800℃)这一区间,但降低操作温度会增大电解质的欧姆损失以及阴极的极化损失。随着新型电解质材料的研发,欧姆损失得到降低,降低电解质材料的厚度也可以有效降低电解质的欧姆损失,近年来薄膜技术的发展对解决电解质欧姆损失的问题有较大贡献。因此,提高阴极材料在中温条件下的性能,即降低阴极材料在中温条件下的极化损失,提高在中温条件下的催化活性成为IT-SOFC发展的关键。本论文旨在通过改进现有阴极材料来提高IT-SOFC的性能。ABO₃型钴基钙钛矿氧化物的A位和B位阳离子可以被其他不同价态的的阳离子部分地取代,为保持整个体系的电中性而产生氧空位,使其在具有较高的电子导电性的同时具有良好的氧离子导电能力,是IT-SOFC其中一种非常重要的阴极材料。本文以Ba1-x Cax Co0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ(BCCFN)阴极材料和BCCFN-SDC电解质复合阴极材料为研究对象,研究了阴极材料包括物相结构、微观形貌、热膨胀系数、半电池阻抗谱和单电池输出功率等各种特性。通过调控材料的成分组成,试图找出能降低阴极材料极化阻抗的配比,探讨其作为SOFC阴极材料的可行性,期望可以进一步提高IT-SOFC的性能。主要研究内容如下:1.钴基钙钛矿型氧化物Ba Co_0.7Fe_0.2Nb0.1O3-δ(BCFN)是一种电化学性能比较好的IT-SOFC阴极材料,其具有优秀的电子-离子混合导电能力。但其存在与电解质热匹配性较差的缺点,为了进一步提高此材料作为IT-SOFC阴极材料的性能,有必要降低其热膨胀系数,提高其与电解质材料的热匹配性,保证其在工作温度下的稳定性,降低其在中温(600-800 o C)下的极化阻抗,提升电极性能,从而提高单电池的最大功率密度。因此,我们选择在A位掺Ca²⁺试图提高其作为IT-SOFC阴极材料的性能。采用固相法合成Ba1-xCax Co0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ(B1-x Cx CFN,x=0.0,0.1,0.2,0.3,0.4)阴极材料,通过XRD衍射普分析发现,B1-xCx CFN阴极材料在1000 oC烧结10 h后,形成了单相的立方钙钛矿结构。通过分析电镜图片,B0.9C0.1CFN形成了疏松多孔的微观结构,并且与SDC电解质结合良好,没有出现剥落迹象。A位掺杂Ca²⁺后,降低了阴极材料的热膨胀系数。半电池阻抗分析发现BCFN材料A位掺杂Ca²⁺降低了阴极材料的极化电阻(RP),当A位掺Ca²⁺的掺杂量为x=0.1时,RP值最小,在800 o C时,B0.9C0.1CFN半电池的极化电阻值为0.4458Ωcm2。Ca²⁺的适当掺杂使B位离子从+3价升到+4价,使B3+-O-B4+小极化子的浓度提高,降低了材料的极化阻抗,电化学性能得到提高,当进一步提高Ca²⁺的掺杂量时,B位离子从+3价升到+4价的离子数过多,+3价离子数减少,使材料的极化阻抗增加。单电池功率密度测试发现结构为B1-xCx CFN/SDC/Ni0.9Cu0.1-SDC的单电池随着阴极A位Ca²⁺的掺入,功率密度变大,当Ca²⁺的含量x为0.1时,以B0.9C0.1CFN为阴极材料的单电池具有最好的输出功率密度曲线,在800o C的最大功率密度达到338m Wcm-2,当进一步提高A为Ca²⁺的掺杂量时,单电池的功率密度开始下降,B0.9C0.1CFN阴极表现出最好的电化学性能。2.B_0.9C_0.1CFN阴极材料表现出了优秀的综合性能,成为一种有希望的IT-SOFC阴极材料。为了进一步增强材料的电化学性能以及与SDC电解质的匹配性,提高氧的还原反应速率,我们对B0.9C0.1CFN材料进行了改进研究,将B0.9C0.1CFN(BCCFN)与SDC电解质材料复合制成复合阴极材料,可望进一步降低其热膨胀系数,改善阴极材料的氧还原反应过程,提高其性能。研究结果表明,1000 o C烧结10h后,BCCFN与SDC间保持各自的相结构,化学相容性良好。电镜图片显示BCCFN-30SDC表现了更低的空隙率及更小的颗粒尺寸,这有利于形成连续的SDC离子扩散通道和连续的BCCFN电子导电通道。复合SDC是一种可以有效降低阴极材料的热膨胀系数的方法,使其热膨胀系数更接近于SDC电解质,提高了阴极材料与电解质材料的热匹配性。BCCFN阴极材料复合SDC可以提高阴极材料的电化学性能,BCCFN-x SDC(x=0,20,30,40)复合阴极材料半电池阻抗测试表明,随SDC电解质的复合量的增加,阴极极化电阻(Rp)随之而减小,当复合含量x=30wt%时,极化电阻达到最小值,在800o C时Rp值达到0.2984Ωcm2,当SDC含量进一步增多时,BCCFN相连续性下降,影响了阴极氧的还原反应,使极化电阻反而增大。以BCCFN-x SDC为阴极的电解质支撑的结构为BCCFN-x SDC|SDC|Ni0.9Cu0.1-SDC的单电池的测试结果表明,复合SDC的含量为30wt%时,单电池表现出更优的功率密度曲线,800 o C时以BCCFN-30SDC为阴极的单电池最大功率密度达到351 m Wcm-2,这表明BCCFN-30SDC是一种发展前景良好的IT-SOFC阴极材料。