复合阴极的分类及研究现状综述

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由SOFCs的组成及工作原理来看，它是由电解质(electrolyte)、阳极(anode)、阴极(cathode)和连接体组成。阴极材料作为SOFCs重要的组成部分，它起着传递氧气的作用。因此，它必须具有高温热、稳定高导电率、化学结构稳定、抗氧化、外形尺寸稳定、晶型稳定、多孔结构、热膨胀系数相匹配、催化性能优良以及易加工等优点才能被广泛使用。若降低SOFC的工作温度，将引起阴极材料极化过电位过大，界面电阻增大。因此，在中温(600℃~800℃)条件下，选用合适的阴极材料成为SOFCs研究的主要领域。目前主要有贵金属、电子电导氧化物和混合电导氧化物等材料。而作为贵金属由于与电解质热膨胀系数差别以及价格原因，限制了其使用范围。所以多采用电子电导氧化物和混合电导氧化物等材料来作为阴极材料，并且可以通过优化阴极微结构即复合阴极来提高其性能。复合阴极大致分为传统复合阴极和纳米复合阴极两种。68272

1传统复合阴极

（1）加入电解质的传统复合阴极

在阴极材料中加入电解质，可以使阴极从原先的电子导电材料变为电子-离子混合电导材料，使电极反应的三相区域从二维变为三维，扩大了三相区域的面积，提高了阴极的电性能[7]。同时加入电解质材料后，可以使复合阴极材料与电解质材料的热膨胀系数(Thermal Expansion Coefficient，TEC)相近，有利于电池稳定的运行。LSM(La1-xSrxMnO3-δ)是一种常用的阴极材料，LSM具有高的电子电导率和化学稳定性，但是它的离子电导率较低，并且具有较高的氧气分解活化能。为了增加阴极LSM的离子电导率，通常把电解质材料作为第二相加人到LSM中，比如YSZ。Piao[8]等用丝网印刷法制备LSM-YSZ复合阴极，通过优化制备过程中的各种工艺参数，如丝网印刷板的目数、烧结时间、烧结温度和黏结剂的选择等，来提高电池的性能。通过研究发现，采用乙基纤维素作为复合阴极材料的黏结剂，用120目数的丝网印刷，随后在1200℃/2h煅烧后，可以获得性能较好的电池。通过以上步骤制得的复合阴极，在750oC、800℃和850℃的极化电阻分别为0.5168Ωcm2、0.2463Ωcm2和0.202 7Ωcm2。论文网

樊星[9]以SDC为电解质，用交流阻抗谱研究了烧结温度和原料粉体制备过程等因素对复合阴极的界面电阻的影响。LSM+甘氨酸法制备的SDC和LSM+共沉淀法制备的SDC的复合阴极对应界面电阻最小时的烧结温度分别为1200和1250℃；800℃时，它们的最小界面电阻分别为0.78Ω·cm2和0.35Ω·cm2。用扫描电子显微镜观察两种不同复合阴极微结构，发现其微结构与原料粉体的形貌有着密切的关系，而微结构又同时决定了阴极的界面电阻和电导率。

刘毅[10]采用固相反应法制备La2/3Sr1/3MnO3(LSMO3)粉体，用溶胶-凝胶法分别制备La1/4Sr1/6Mn2O7(LSMO7)和Ce0.8Gd0.2O2-δ(CGO)粉体。别将LSMO3和LSMO7粉体与CGO粉体以1∶1的质量比均匀混合，在300MPa下冷等静压成型，并在1 500℃烧结2 h，制备了LSMO3/CGO和LSMO7/CGO复合阴极材料。研究了2种复合阴极材料的微观结构和热膨胀性能.结果表明：LSMO3/CGO与LSMO7/CGO烧结体在150～1 000℃温度范围内的平均线性热膨胀系数分别为1.52×10-5/K和1.53×10-5/K，与CGO固体电解质具有相近的热膨胀性能。烧结体断面形貌分析表明：LSMO3/CGO复合阴极具有与CGO相似的断面显微结构。

Zhang等[11]制备了La0.8Sr0.2MnO3(LSM)-YSZ和LSM-La0.4Ce0.6O1.8(LDC)双层复合阴极，以阳极为支撑体，薄膜YSZ为电解质。双层复合阴极的性能比单以LSM-YSZ或LSM-LDC为阴极的性能都有所提高，在650℃时双层复合阴极电池的功率密度分别比以LSM-LDC、LSM-YSZ为阴极的电池提高52％和175％，而前者的极化电阻分别为后两者的75％和49％。这种性能的提高主要原因是由于氧在双层复合阴极上电化学反应的各步骤的活化能比在LSM-YSZ上小，从而加快了氧的还原速率，另外LDC中Ce4+/Ce3+的氧化还原性质也加快了氧在双层复合阴极上的还原反应的速率。