Fe基钙钛矿电极的电化学阻抗谱分析[范文]

摘要

固体氧化物燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的装置。它具有高效率，绿色环保无污染等优点。所以，越来越多的人开始关注固体氧化物燃料电池。

尽管SrCoO₃基阴极具备较高的催化活性，但该系列材料较高的热膨胀系数以及Co元素高温易挥发的缺点易造成阴极的寿命短、稳定性差的缺点。所以为了改善这个不足之处，本文针对无Co的SrFeO₃基电极材料进行研究。

在本文中通过溶胶凝胶法制备出La_0.5Sr_0.5Fe_0.9Mo_0.1O₃(LSFM)与SrFe_0.9Mo_0.1O₃(SFM)并通过X射线衍射(XRD)来测试它们的晶体结构，通过XRD检测出LSFM的成相温度为900℃，SFM的成相温度为1000℃。通过电化学阻抗谱来进行极化阻抗的拟合，空气中，以La_0.9Sr_0.1Ga_0.8Mg_0.2O₃(LSGM)为电解质时，LSFM在700℃和800℃时的极化阻抗分别为1.58Ω cm²、0.35Ω cm²，而SFM的为0.28Ωcm²、0.08Ω cm²。以Sm_0.2Ce_0.8O_1.95(SDC)为电解质时LSFM的极化阻抗分别为0.41Ω cm²和0.11Ω cm²；SFM的为0.14Ω cm²、0.05Ω cm²。实验的结果显示SDC更适合作对称电池的电解质。除此之外，通过对电池性能的分析，在氢气的条件以及都已SDC为电解质的条件下，以LSFM为电极材料的对称电池在600℃、650℃、700℃、750℃、800℃时，它所能达到的最大功率密度分别为0.12 W cm^-2、0.20 W cm^-2、0.35 W cm^-2、0.48 W cm^-2、0.64 W cm^-2；以SFM为电极材料的对称电池在600℃、650℃、700℃、750℃、800℃时，它所能达到的最大功率密度分别为0.13 W cm^-2、0.20 W cm^-2、0.28 W cm^-2、0.33 W cm^-2、0.52 W cm^-2，结果显示，随着温度的升高，它们的最大功率都在升高。因此，Fe基是可以做对称电池的电极材料。

1 前言

1.1燃料电池概述   

能源是国民经济的发展基础，现代社会朝着可再生、绿色、环保等方向发展。随着社会的进步，总结历史你会发现，影响发展的主要因素是：能源利用方式、技术变革与创新，甚至于可能会造成社会的重大变革。随着时间的流逝，人类进入20世纪中期后社会朝着以微电子学技术、信息技术、新材料技术、新能源技术交互发展为特征的高新技术时代前进。由于人类的平均生活水平的提高一级科技的快速发展，以热机为核心的传统能源技术存在有种种弊端如温室气体、氣氧化物、硫化物、粉尘等有害物质排放，造成大气污染、噪声污染、水质污染、土壤污染等，严重威害着人类的生存环境威胁着人类健康，被人类所逐渐认识到，并且有悼于科学发展观的要求。我国是以煤为主典型的富煤、贫油、少气的国家，但是我国化石燃料虽然多，但是化石燃料的利用技术与其他发达国家相比，相对落后、能源利用效率低环境污染严重。因此具有清洁、安静、高效和可压缩性的燃料电池技术是解决化石燃料污染环境的最有效的技术之一[1]。

1.1.1燃料电池的特点和类型

燃料电池根据其电解质材料的不同可以分为以下几种类型，碱性燃料电池、以浓磷酸为电解质的磷酸燃料电池,、以熔融碳酸盐做电解质的燃料电池，以及使用固体电解质制成的高温运行的固体氧化物燃料电池,。此外,还开发了质子交换膜等类型的燃料电池。不同类型的燃料电池在应用范围、结构设计、材料花费、工作工况等方面存在较大的差别，因此它们的用途也是不一样的。

1.2固体氧化物燃料电池的简介

固体氧化物燃料电池(SOFC)它是在八十年代迅速发展起来的新型绿色，环保的发电技术，在固体氧化物燃料电池中，最早的是以YSZ为电解质的，但是它只能运用在高温中。    

和其他类别的燃料电池相比，固体氧化物燃料电池(SOFC)有很多的独特的优点例如全固态结构、低成本、燃料使用范围广、可以在电池内部进行燃料重整及高效率热电联产等，因此固体氧化物燃料电池自然而然的成为了燃料电池领域中的新星，同时它也是人们研究的热点跟难点[2]。固体氧化物燃料电池主要可以分为两种类型。但是到目前为止，大多数人对氧离子的传导的SOFC研究比较多。

1.3固体氧化物燃料电池的特点及其工作原理

固体氧化物燃料电池（SOFC）是燃料电池中的一种，SOFC相较于其他燃料电池而言，它具有其他燃料电池所没有的很多优点，其中由于它是直接由化学能转化为电能，这中间没有其他的能量损失它的效率可以高达60%~80%，除此之外，SOFC的特点大体上可以分为以下几点：

（1）采用全固态结构陶瓷电解质；

（2）能量转率高、无污染；

（3）燃料适应性强；

（4）无腐烛、无泄漏：

（5） 可以直接通燃料气（H2、CH4等）；

（6）电解质具有稳定的结构跟稳定的电化学性能，有很好的抗毒的性能。

结合以上的特点以及国家的前景、未来发展的主题，固体氧化物燃料电池具有很好的发展潜力，它的绿色环保，可再生等符合国家发展的需要。 

固体氧化物燃料电池是通过氧化还原反应将化学能转化为电能的一种新型发电装置，目前对氧离子传导的研究比较多，工作原理如图1.1所示：

图1.1固体氧化物燃料电池工作原理图

如图1.1所示，固体氧化物燃料电池由阴极、电解质、阳极组成，其中阴极置于空气中，阳极置于燃料气中（其中燃料气通常使用H2、CH4、CO等）。空气中的氧气通过阴极发生还原反应O2-,反应方程式为：O2+4e→O2-;阳极中阳离子失去电子，发生氧化反应变成O2,方程式为：O2-+H2→H2O+2e（以氢气作为燃料气为例）；如此循环就形成了电流从而产生电能。

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