Matériau de contact de cathode LaNi0.6Fe0.4O3 : manipulation des propriétés de conduction électrique et son effet sur les performances électrochimiques des SOFC

ZHANG Kun, WANG Yu, ZHU Tenglong, SUN Kaihua, HAN Minfang, ZHONG Qin. Matériau de contact cathodique LaNi0.6Fe0.4O3 : manipulation des propriétés de conduction électrique et son effet sur les performances électrochimiques des SOFC [J]. Journal des matériaux inorganiques, DOI : 10.15541/jim20230353 .

Schéma de principe de l'interface de contact de la cathode et de l'interconnecteur

Pendant le processus d'assemblage de la pile plate à pile à combustible à oxyde solide (SOFC), le contact direct entre la cathode en céramique et le connecteur métallique est médiocre et la contrainte est élevée. Il est facile de produire une grande résistance de contact d’interface, ce qui affecte à son tour les performances et la stabilité de la pile. Une couche de contact cathodique est généralement ajoutée entre la cathode et le connecteur pour améliorer le contact d'interface. LaNi0.6Fe0.4O3 (LNF) présente les avantages d'une conductivité électrique élevée et d'un coefficient de dilatation thermique correspondant aux matériaux de cathode et de connecteur. Il s'agit d'un matériau de couche de contact largement utilisé dans les SOFC à plaques plates. Cependant, lors du fonctionnement à long terme de l'empilement, le LNF présente des phénomènes tels qu'un grossissement des particules et des changements importants dans la résistance de surface, ce qui entraîne des dommages à l'interface de contact et affecte ainsi les performances de l'empilement. Le groupe de recherche de Zhu Tenglong à l'Université des sciences et technologies de Nanjing a utilisé deux méthodes, la granulation par pressage à sec et le frittage à haute température, pour préparer des matériaux LNF à grosses particules, et a étudié l'évolution de la résistance de surface sous charge de courant et son impact sur les performances électrochimiques des SOFC. cellules simples.

Evolution ASR du LNF en fonction du temps sous 750 ℃ ​​et 1A/cm2, images SEM du LNF avant et après test ASR (a) Initial ; (b) Post-test

La recherche l’indique. Comparés au LNF-1 non traité, les LNF-2 et LNF-3 qui ont subi une granulation par pressage à sec et un frittage à haute température ont une résistance de surface initiale inférieure. La taille des particules du LNF de petite taille augmentera considérablement sous la charge actuelle. Bien que le LNF-2 granulé par pressage à sec ait une taille de particule plus grande, il conserve une meilleure activité de frittage, il présente donc également un phénomène de frittage plus évident sous charge de courant, entraînant une réduction de la résistance de la feuille. Le LNF-3 qui a subi un prétraitement de frittage à haute température a pratiquement perdu son activité de frittage et sa taille de particule change peu sous l'action du courant, de sorte que sa résistance de surface reste stable. De plus, l'impédance ohmique des cellules uniques LNF-2 et LNF-3 avec des particules de plus grande taille est inférieure à celle du LNF-1, ce qui est lié à leur résistance de surface de composant de contact inférieure et à leur meilleur contact d'interface cathodique. Dans le même temps, les cellules individuelles LNF-2 et LNF-3 présentaient une résistance de polarisation plus faible, ce qui indique que l'augmentation de la taille des particules de LNF peut améliorer la transmission et la diffusion de l'oxygène dans l'air du côté cathodique. Dans plusieurs expériences de cycles thermiques, la cellule unique LNF-2 a montré d'excellentes performances électrochimiques initiales, tout en conservant une bonne activité de frittage grâce à sa propre activité. Lors d'un fonctionnement à long terme à des températures élevées et de multiples tests de performances électrochimiques, ses particules sont plus susceptibles de grossir, provoquant des dommages aux pores et un pelage de l'interface, conduisant à une atténuation significative des performances d'une seule cellule. En revanche, les matériaux LNF-3 ayant subi un prétraitement de frittage à haute température ont une faible activité de frittage et peuvent maintenir une bonne stabilité structurelle pendant les cycles thermiques à haute température.

Spectres EIS (a) et tracés d'ajustement DRT (b) de cellules individuelles sous pression partielle d'oxygène de 2,1 × 104 et 3 × 103 Pa, ainsi que leur résistance ohmique (c) et leur résistance de polarisation (d) correspondantes.

Points forts de cet article :

1. Par rapport au matériau LNF-1 non traité, les LNF-2 et LNF-3 contrôlés par les particules peuvent réduire la résistance de la feuille. La résistance de surface du composant de contact peut rapidement atteindre un état stable sous une charge de courant, et la structure peut être maintenue stable dans des conditions de charge de courant à long terme.

2. Le matériau de contact LNF de grande taille de particules peut optimiser le contact de l'interface cathodique, favoriser la diffusion et le transport de l'oxygène du côté cathodique et améliorer les performances de sortie d'une seule cellule.

3. Le matériau LNF granulé pressé à sec conserve encore une certaine activité de frittage, ce qui entraîne une mauvaise stabilité du cycle thermique. Le prétraitement par frittage à haute température peut améliorer considérablement la stabilité structurelle des matériaux de contact cathodique LNF pendant les processus de cycle thermique et de décharge.

Diagrammes schématiques et images SEM pour les interfaces de contact cathodique de cellules uniques après cycle thermique

Commentaire:

1. Dans cet article, l'auteur étudie l'évolution de la résistance superficielle de l'assemblage de contact cathodique en raison de la granulométrie du matériau LNF et son impact sur les performances électrochimiques et la stabilité de la cellule unique SOFC. Il a été constaté que l’augmentation de la taille des particules par frittage à haute température réduit la résistance de la feuille de l’ensemble de contact cathodique. La résistance de surface du composant de contact peut rapidement atteindre un état stable sous une charge de courant et la structure peut être maintenue stable dans des conditions de charge de courant à long terme, ce qui constitue une bonne référence pour améliorer les performances de la SOFC.

2. Cette recherche est orientée vers les besoins réels en matériaux de contact à faible résistance et à haute conductivité pour les piles à combustible à oxyde solide. Le mécanisme de l'influence du contrôle de la taille des particules de LaNi0.6Fe0.4O3 sur la conductivité et les performances des cellules individuelles SOFC a été étudié, et l'influence des conditions de fonctionnement telles que la teneur en oxygène de l'air et le cycle thermique sur les performances des cellules individuelles lors de la granulation du LNF en utilisant différents moyens a été analysée. en détail. Le concept de l'article est relativement nouveau, la pensée est claire, les données répertoriées peuvent bien étayer les questions correspondantes et ont une certaine valeur d'application pratique. L'article a une structure claire, une logique raisonnable et une rédaction standardisée.