可逆固体氧化物电池高氧缺陷BSCF系列氧电极材料的氧化还原稳定性和循环劣化机制研究

Since the 21st century mankind is faced with crisis of energy shortage and climate change. Development of high efficiency energy conversion and storage devices are the key of sustainable development. Reversible solid oxide cells (R-SOCs) are integrated with energy conversion and storage and become the hot research topic of energy technology innovation. This project proposed through investigating the oxidation-reduction stability of high oxygen deficiency BSCF-based oxygen electrode material in R-SOCs work environment and studying the degradation mechanism in cycle operation, to optimize the structure of the electrode and operating conditions of R-SOCs, and to improve working efficiency and operating life of R-SOCs. The research will provide theoretical and experimental guidance for the future practical application of R-SOCs.

21世纪以来人类面临着严重的能源短缺和环境气候变化危机。开发高效率的能源转换与存储器件正成为人类可持续发展的关键。可逆固体氧化物电池可高效集成能量转化和存储技术于一体，正成为能源技术创新的研究热点。本项目拟通过深入探究可逆固体氧化物电池R-SOCs的高氧缺陷的BSCF基氧电极材料在氧化-还原工作环境下的稳定性与一定运行条件下的循环劣化机制，来优化R-SOCs电极结构与运行条件，从而提高其工作效率和运行寿命。该研究可为将来可逆固体氧化物电池的实际应用提供理论和实验指导。

21世纪以来人类面临着严重的能源短缺和环境气候变化危机。开发高效率的能源转换与存储器件正成为人类可持续发展的关键。可逆固体氧化物电池可集成能量转化和存储技术于一体，正成为能源技术创新的研究热点。本项目提出通过对高氧不定比BSCF基系列氧电极材料在R-SOCs工作环境下氧化还原稳定性的研究，研究其劣化机理，优化R-SOCs的工作条件，提高R-SOCs的工作效率和工作寿命。通过高温晶体结构和氧非化学计量比实验研究了BSCF1-3的相不稳定过程。阐明了温度和p(O2)对BSCF化学稳定性的影响。建立了BSCF1-3的化学稳定性图。结果表明，无论是在低温高氧化条件下，还是在高温高还原条件下，立方相BSCF1化学稳定性都较差。立方结构BSCF2和BSCF3具有相对较好的化学稳定性。它们的还原稳定的边界向相对高氧化环境移动。根据该稳定相图确定了R-SOCs的安全运行条件。通过测试不同电流密度、湿度和气体流速下电池电压随时间的变化观察了氢电极和氧电极的稳定性行为。实验结果证实，BSCF2的氧电极在加速降解试验中是相对稳定的。而H2电极的微观结构发生了严重的变化，主要表现为镍粒子的团聚、粗化、相隙增大，从而导致电接触和反应活性位点减少。加速劣化实验结果表明，工作电流密度和湿度是导致Ni颗粒在H2催化剂层中团聚严重的关键劣化因子。最终本项目通过优化运行条件，实现了R-SOCs电池的长期稳定运行。此研究将为R-SOCs的实际应用提供理论和实验指导。