洪 涛(1989-), 男, 博士研究生. E-mail:taoh@mail.ustc.edu.cn
固体氧化物燃料电池的纳米结构阴极能够有效地提升电极的电化学性能以及电池的输出功率, 具有良好的应用前景。本文主要介绍纳米结构阴极的长期稳定性以及电极稳定性的理论模型。纳米结构阴极具有良好的长期稳定性。由于尺寸效应, 纳米结构能够抑制颗粒的高温生长, 并且可以显著减小电解质和催化剂之间热膨胀不匹配带来的微观应力, 使得两相之间保持良好的连接性。同时, 纳米结构能够很好地抵抗热循环导致的颗粒间界面断裂行为, 并在热循环中保持颗粒间的良好连接。La0.8Sr0.2MnO3-
Nano-structure could effectively enhance the electro-chemical properties of solid oxide fuel cell cathodes and the output power of single cells, which has a good application prospect. This article mainly focuses on the literatures reported about the long term stability of nano-structure cathode and electrode stability theoretical models. Nano-structure cathode has excellent stability at relatively low temperatures. Isothermal grain growth of nano-particles is self-limited because of the size effect. And nano-structure could significantly reduce the micro-strain induced by the misfit between electrolyte and electrocatalyst, which can keep the two phase in good contact. In addition, nano-structure can also weaken the interface break between two-phase particles in thermal cycle process. The performance of La0.8Sr0.2MnO3-
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种具有高转化效率和低污染排放的能量转换装置。阴极是SOFC的重要组成部分, 它的主要作用是为氧化剂的电化学还原反应提供场所。传统复合阴极由于烧结导致的结构粗化、阴极分层以及材料自身分解等原因, 其热循环稳定性和长期稳定性都比较差。例如, Liu等[ 1]研究阳极支撑SOFCs的La0.8Sr0.2MnO3- δ(LSM)与Y0.15Zr0.85O1.9(YSZ)界面时发现, 其在750℃下以0.75 A/cm2的状态运行1500 h后, LSM覆盖度和三相线长度分别减少50%和30%。根据Zhang等[ 2]的模型, La0.6Sr0.4CoO3- δ(LSC) 与Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)复合电极在800℃下经过7次热循环后,极化阻抗从1.2 Ω•cm2增大到1.5 Ω•cm2。
近些年, 纳米技术的发展为SOFC构建高性能阴极带来了广阔前景。电极-催化体系尺寸的降低, 不仅增加了三相线长度, 还提升了纳米颗粒的催化性能。此外, 纳米阴极的独特结构能够抑制颗粒的高温生长, 减缓两相不匹配导致的微观应力, 获得良好的热循环性能, 因此有利于提高电池的稳定性。纳米尺度的催化剂是通过硝酸盐在较低温度下分解形成的, 这种方法能有效抑制催化剂与电解质之间的反应, 同时扩大了阴极材料的选择范围。但是纳米结构电极经历长时间保温, 特别是高温测试后, 仍然存在颗粒粗化现象[ 3, 4]。
本文主要关注文献中纳米结构阴极的稳定性问题, 介绍纳米结构电极的长期性能, 以反映纳米尺寸对电极稳定性的影响。还介绍了电极稳定性的理论模型。
纳米结构电极具有理想的微观结构, 目前主要有两种方法制备纳米结构电极。一种方法是两相纳米颗粒的简单混合[ 5], 或者表面聚集大量颗粒的类似核壳结构的纳米复合电极[ 6]。它是使用纳米颗粒作为籽晶, 通过共沉淀的方法制备的。首先将纳米颗粒(如YSZ)的胶体悬浮液和金属硝酸盐溶液混合在一起; 然后将该混合物添加到NH4HCO3溶液中, 使其在分散的YSZ颗粒表面成核为金属碳酸盐颗粒; 最终通过加热前驱体得到纳米复合颗粒。这种纳米复合颗粒由于提高了两相的相邻性和界面的相干性, 电化学性能和稳定性得到很大提升。另一种方法, 称为浸渍方法[ 7, 8], 是一种广泛使用的构建纳米电极的方法, 可以将纳米催化剂沉积在多孔骨架内。这个骨架预先与电解质在高温下共烧结, 且与电解质粘结, 形成牢固的结合体。不管是骨架和电解质之间的牢固连接, 还是骨架之间的良好结合都使它具有较高的机械强度和界面稳定性。这种纳米尺寸有利于获得高催化活性和更多的反应位点。如表1所示, 纳米结构的电极具有较低的极化阻抗和高功率输出, 性能提高可达几十倍。
尽管纳米结构电极具有优良的电化学性能, 但是对于要求运行寿命长达50000 h且要求衰退很小的商业应用来说, 仍然需要进一步优化。目前, 纳米结构对长期稳定性的影响很复杂, 它对颗粒尺寸、电极结构和其它一些因素如温度、电流密度和热循环都很敏感。理论上, 颗粒达到纳米尺寸后熔点降低, 表面扩散能力会显著增大, 颗粒粗化会明显增强。与此同时, 电池运行过程中颗粒自由能的下降造成颗粒间连接性和表面积减小, 并导致极化阻抗和欧姆阻抗的增大, 最终导致电池性能的下降。同时, 纳米颗粒活性很高以至于其发生化学反应的温度也相应降低, 导致其在电池运行过程中易形成惰性相。另一方面, 纳米阴极的独特结构也可以抑制颗粒的长大, 因为其高度均一的颗粒之间具有牢固的粘结性, 需要更大的能量才能打破连接键, 使得纳米颗粒的移动变得困难并抑制了颗粒粗化。这些性质使得纳米结构阴极能够克服自身的一些缺陷, 并获得良好的长期性, 同时大量的实验以及模型也证明, 相比于传统阴极, 纳米结构阴极具有更优异的长期以及热循环稳定性。
1.2.1 纳米尺寸对颗粒高温长大的影响
众所周知, 颗粒长大会致欧姆阻抗和极化阻抗的增大, 从而电池性能下降。在纳米阴极中, 颗粒尺寸在微米和纳米范围内, 颗粒生长的动力学机制也各不相同。根据Burke和Turnbull[ 28, 29]引入的经典扩散动力学方程, 多晶材料的晶粒等温生长公式如下:
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其中, d代表在时刻 t颗粒的平均尺寸, d0代表在时间 t0的初始尺寸,而 k0是材料的常数, Q是活化能, k是波尔兹曼常数, T是开氏温度, 这个公式正比于扩散常数 D。晶粒长大指数 n从2到10, 且在一个固定的多晶体系内其取决于温度[ 30]。微米颗粒随着烧结时间而长大, 这一特性在较高温度下很容易观察到。然而, 当颗粒尺寸减小达到纳米范围后, 晶粒粗化就不再遵循这一经典抛物线公式, 而是遵循晶粒自限弛豫公式。
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dL是晶粒尺寸, 而 τ是弛豫时间。颗粒长大可能是由微观应力的弛豫造成的, 但是这个过程被纳米晶中广泛存在的晶界缺陷所抑制。纳米颗粒在最初长到某一极限尺寸后, 生长会停止, 并维持在这个水平, 最终获得一个与烧结时间无关的稳定微观结构。然而, 这个弛豫理论只能在较低温度下应用, 因为如果温度高到足够活化体扩散, 再加上晶界扩散, 纳米晶的微观应力就会最终弛豫掉。这时, 常规的晶粒生长动力学就决定了其生长机理, 导致晶粒继续长大。
1.2.2 纳米结构对热循环稳定性的影响
Zhang等建立了阴极热循环模型[ 2], 与实验数据匹配良好, 如图1(a)。在该模型中, 电极性能的下降是由两相不匹配造成的。离子电导相和电子电导相界面的断裂导致极化阻抗的增大。当电解质和催化剂的热膨胀系数TEC不同时, 温度变化△ T就会导致应力Δ ε。在平衡状态, 这种不匹配应力会导致一对平衡且反向的压力, σi施加在电解质相, 而 σj作用在电催化剂相, 并保持 σi =- σj = σ。
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Σi-j和 mi-j是Weibull常数, 对应于 i和 j相的界面, i-j是 i和 j相中较小颗粒的半径, 例如浸渍电极中纳米颗粒半径。可以看出, 颗粒尺寸越小, 存在概率就越大。图1(b)显示, 随着浸渍颗粒的尺寸从100 nm 减小到10 nm, 电极稳定性显著增大。经过500次热循环后, 100 nm颗粒的阻抗从0.33 Ω•cm2增大到0.48 Ω•cm2, 衰减45%, 而10 nm颗粒的阻抗只是从0.12 Ω•cm2增大到0.13 Ω•cm2。如图2所示, 相比于传统复合电极, 纳米电极更低的衰退率使其具有更好的长期稳定性。此外, 相比于传统复合电极, 浸渍电极的 i-j界面更为稳定。这种预测同样被SDC-LSC浸渍阴极的实验结果所证实[ 2]。
LSM与电解质之间有良好的热膨胀和化学匹配性, 是一种很好的阴极材料。然而, 由于LSM具有非常低的离子电导率, LSM阴极上的氧还原反应只发生在电极-电解质界面处的三相线上。LSM阴极的性能可以通过纳米结构技术得到提升。另外, 由于纳米尺寸效应, 纳米结构LSM阴极也相当稳定。例如, Jiang等[ 4]研究了LSM浸渍氧化钇稳定的氧化铋(YSB)结构的阴极。在运行的最初50 h, 其功率密度从0.39 W/cm2降到了0.33 W/cm2, 但是在随后的100 h内, 其性能逐步趋于稳定。在此之后, 进行了700℃到室温的热循环, 其功率密度增长到 0.36 W/cm2, 并在超过150 h的时间内保持稳定(图3)。
如图4的SEM照片所示, LSM浸渍YSB骨架初始功率下降可能是LSM的粗化造成的, 因为纳米颗粒的高温烧结活性高, 这种粗化几乎是不可避免的。但是, 由于尺寸效应, 其颗粒长大受到自身限制。在运行300 h后, 纳米LSM颗粒和YSB孔壁的结合在逐渐增强, 即二次烧结的过程。而Song等[ 5]通过使用LSM与YSZ颗粒凝聚形成大颗粒的技术,在较好的尺度范围内对这两种颗粒进行混合, 获得了一种结构优异的纳米复合阴极。传统LSM-YSZ混合阴极在循环电流下运行80 h后, 极化阻抗增大463%, 而这种纳米结构阴极由于提高了相的一致性和界面连接性, 仍然保持稳定。这种纳米结构对抑制电极/电解质界面的剥离以及阴极本身的失效等微观结构损坏也是有好处的。这与Zhang等[ 2]的模型预测结果一致。YSZ颗粒的表面配位数对其稳定性也有影响。实验证实, 使用配位数更高的YSZ, 可以使其在500 h内保持549 mW/cm2稳定功率输出。同样, 使用3 nm的YSZ颗粒作为共沉淀籽晶的LSM-YSZ复合阴极也具有很好的长期稳定性[ 6]。该阴极在700℃下以0.2 A/cm2的电流工作1000 h没有明显的性能衰减。
LSC具有较高的催化活性和表面交换系数, 常作为中温SOFC的阴极材料。然而, LSC的热膨胀小数(TEC)比较大, 达到23×10-6 /K, 几乎是YSZ和SDC ((11-12) ×10-6/K)等经典电解质材料的两倍。电解质和阴极之间TEC的不匹配会导致热应力, 在电池运行过程中, 热应力会导致电解质和阴极界面的剥离以及电解质的破裂[ 34]。另外, 在1000℃ 下, LSC容易和YSZ反应形成La2Zr2O7和SrZrO3等高阻相。因此, LSC不能在高温下直接和YSZ使用。
为了解决LSC电极和电解质之间的热匹配问题, 已经做了大量的工作, 如掺杂Fe、Ni或者优化微结构。通过将LSC纳米颗粒沉积到多孔骨架中, 然后低温共烧, 可以得到和电解质结合非常牢固的电极结构。因为电解质和骨架通常都是同一种材料, 不存在热应力, 这就决定了浸渍阴极具有很好的热稳定性[ 35]。例如, 在YSZ骨架中, 当LSC的浸渍量为55wt%时, 其TEC为12.6×10-6/K, 非常接近于YSZ电解质, 且比纯LSC低很多。通过测试对称电池在热循环后的极化阻抗, Zhao等[ 7]研究了LSC纳米电极的稳定性。如图5所示, 传统LSC-SDC复合阴极在经过20次500~800℃的热循环后, 其600℃极化阻抗从2.42 Ω•cm2增大到3.5 Ω•cm2。在经过10次室温到800℃的热循环后阻抗增大到12.2 Ω•cm2, 而在600℃下恒温运行2000 h后阻抗达到30 Ω•cm2。然而, 浸渍的纳米LSC阴极的极化阻抗在100 d的运行时间内维持在0.25 Ω•cm2没有明显衰减。该结果显示使用纳米结构阴极具有优异的热循环稳定性。
另外, 浸渍阴极的热稳定性受纳米颗粒影响很大, 并且它对化学匹配性和颗粒粗化非常敏感[ 36]。通过XRD证实, 500℃下纳米尺寸LSC可以与YSZ发生反应, 而传统粉体发生反应需要900℃。图6显示, 700℃空气气氛下, 30wt%LSC浸渍的YSZ骨架电极的交流阻抗谱随时间的变化[ 35, 37]。在250 h测试时间内, 其总极化阻抗从2.57 Ω•cm2增大到2.73 Ω•cm2, 其中欧姆阻抗增加0.12 Ω•cm2, 极化阻抗增加0.04 Ω•cm2。需要注意的是, Co基钙钛矿与YSZ基体反应形成了高阻相, 进而导致欧姆阻抗的增加, 造成整个电池的性能衰减。Hjalmarsson等研究了纳米LSC阴极的电化学性能和稳定性, 也报道了相似的结果[ 37]。因此, 如果电池在高温下长期运行, 就需要一层致密的掺杂氧化铈膜以阻止固相反应的发生。除了化学匹配性外, 晶粒长大也是纳米结构电极需要考虑的因素。但是即使对于同样的电极体系, 不同的运行温度, 其稳定性也差别很大。同时由于颗粒粗化对LSC相的形成具有积极影响, 这就导致了电池运行温度与稳定性之间的一些相互矛盾关系。
离子和电子混合导体La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3- δ(LSCF)作为中温SOFC阴极已经被广泛研究, 在800℃时, 电池具有1.0~1.2 W/cm2的稳定输出[ 38]。这样的高功率密度使其运行温度降低100℃, 仍然具有和LSM阴极同样的性能。然而, 传统LSCF阴极在750℃以0.5 A/cm2的状态运行3000 h后仍然会有0.5%~1.5%/1000 h的性能衰减[ 39]。纳米结构技术的使用可以有效抑制这种衰减。例如, Shah等[ 40]报道了以GDC为骨架的LSCF纳米结构电极, 在600℃的初始极化阻抗为0.24 Ω•cm2, 在运行75 h后降低到0.15 Ω•cm2, 然后在超过200 h内保持这种水平。SEM照片证实其微观结构没有明显变化。但是, 在更高的运行温度下, 这种纳米结构阴极的稳定性就存在一定问题。图7显示纳米结构LSCF电极在不同运行温度下其极化阻抗与时间的关系。由于在更高温度下其结构发生变化, 极化阻抗增长显著。最近发展出一种数学模型以预测其界面极化阻抗 Rp随时间的关系, 即粗化理论, 包括了特征长度 L和时间 t。假设原子沿着界面扩散, n的值为4, Rs是某一特定界面的阻抗且为恒定值, Rp就可以用以下公式表达[ 41]。
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Rp0是其初始极化阻抗, B是对应的常数。公式(5)可以用来预测在更长的时间后的衰退率, 而这种数据在实验中是不容易获得的。根据模型预测, 运行40000 h 后, 极化阻抗将从0.2 Ω•cm2增大到0.28~0.35 Ω•cm2。尽管如此, 以上预测都是建立在晶粒长大造成电池衰减的基础之上。还有其他一些可能造成衰减的原因, 如Sr析出到LSCF表面[ 42]或者与YSZ电解质反应形成高阻相[ 41]。
Sm0.5Sr0.5CoO3(SSC)通过在A位引入Sm以取代La, 也是一种混合导体钙钛矿材料。这种掺杂增强了其表面交换速率, 即SSC的表面交换系数比LSC高, 也就加速了电极上的氧还原过程。然而, 跟其它钴基钙钛矿阴极一样, 它也存在与YSZ的化学反应以及与电解质的热膨胀不匹配问题。
SSC的纳米结构阴极具有很高的性能和良好的稳定性。例如, LSCF骨架阴极在浸渍了LSCF纳米颗粒后, 由于LSCF表面积的增大, 在700℃的极化阻抗从0.103 Ω•cm2减小到0.071 Ω•cm2, 而在浸渍SSC颗粒后, 由于表面催化过程的增强, 极化阻抗则减小到0.036 Ω•cm2。另外, 浸渍SSC的LSCF阴极稳定运行超过100 h而没有明显的颗粒团聚[ 43]。Zhao等[ 44]制备的纳米电极中, SSC的纳米线直径在50 nm, 由5~8个纳米球团聚成的。因为它具有很大的表面积, 颗粒之间连接牢固并且孔隙率较高, 是目前报道的SSC材料中性能最好的。它在500℃时的极化阻抗只有0.21 Ω•cm2, 并且在阳极支撑的SDC电池中, 当电解质厚度为10 μm时, 最高功率达到0.44 W cm2。不仅如此, 如图8所示, 它在600℃, 0.5 V电压下, 放电电流密度在100 h内由1.40 A/cm2增加到1.60 A/cm2。此时, 纳米结构阴极性能的提升主要是由于阴极结构的改善。图9所示相互连接良好的SSC纳米线增加了离子和电子传输通道, 并且更高的孔隙率有利于气体的传输, 图10的交流阻抗谱证实, 这有利于减小阴极的低频阻抗。
SOFC阴极的老化会造成电池长期性能显著下降。界面处化学不匹配、热膨胀系数不匹配造成的额外应力、晶粒长大以及包括温度和电流密度在内的测试条件都会对电极造成影响。纳米结构阴极由于增加了三相线反应位点, 并提高了颗粒电化学活性, 具有优异的性能, 是中温SOFC的理想电极。纳米颗粒之间连接稳固, 且其多变的组装工艺可以避免高温处理, 使得催化剂在化学组成上保持稳定。独特的纳米结构克服了阴极骨架和电解质之间的剥离分层问题, 并且催化剂和骨架颗粒之间结合牢固, 这都有利于电池的稳定性。中低温SOFC较低的运行温度使得其对阴极性能要求很高, 而纳米结构阴极较高的电化学性能以及良好的稳定性, 使得其作为中低温SOFC阴极具有广阔的应用前景。另外由于其简便的制备工艺, 不管平板式还是管式SOFC电池堆, 都可以制备纳米结构阴极。较低廉的生产成本使其具有更深的商业应用潜力。我们可以通过控制电极组装工艺以及选择合理的运行条件, 获得优异的电化学活性和稳定性, 使纳米结构阴极得到大规模实际应用。