BサイトFe-Co-Ni三重ドーピングによる工業サイズ逆固体酸化物形電池用高性能酸素電極の開発

科学分野:

• 材料科学
• 電気化学
• エネルギー変換と貯蔵

背景:

• 逆固体酸化物形電池（RSOC）の酸素電極は、触媒活性の低さ、安定性の低さ、電解質との熱膨張係数（TEC）の不一致などの課題に直面しています。
• RSOCの性能向上と実用化のためには、高度な電極材料の開発が不可欠です。

研究 の 目的:

• 新規ペロブスカイト酸化物La_0.6Ca_0.4Fe_0.8Ni_0.1Co_0.1O_3-δ（LCFNC）を設計・合成し、RSOCの酸素電極性能を向上させる。
• LCFNCの触媒活性、安定性、熱的適合性に対する相乗ドーピング効果を調査する。
• 燃料電池モードと電気分解モードの両方、および工業規模のデバイスにおけるLCFNCの性能を評価する。

主な方法:

• 多成分Bサイト相乗ドーピング戦略を用いて、新規ペロブスカイト酸化物LCFNCを合成しました。
• LCFNCの構造的、熱的、電気化学的特性の体系的な特性評価。
• 燃料電池モードおよび電気分解モードでのフルセル性能試験、安定性評価および工業規模デバイス評価を含む。

主要な成果:

• LCFNCは、GDCを用いた場合、TEC（12.7 × 10^-6 K^-1）が抑制され、優れた電解質適合性を保証します。
• 相乗的なドーピングにより、表面酸素空孔濃度と触媒活性を高める三元活性中心が生成されました。
• 800°Cで、ピーク電力密度1.60 W·cm^-2（FCモード）および1.82 A·cm^-2（1.3 V、電気分解モード）を達成しました。
• 100時間の電気分解と24回の逆サイクルにわたる優れた安定性を示しました。
• 工業サイズのRSOC（15 × 15 cm²）は、800°Cで64 W（FCモード）および105 A（電気分解モード）を供給しました。

結論:

• 多成分Bサイトドーピングは、RSOC用の高性能酸素電極材料を開発するための効果的な戦略です。
• LCFNCは、その強化された活性、安定性、適合性により、高性能RSOCの実用化を進めるための有望なソリューションを提供します。
• 本研究は、将来の酸素電極材料開発のためのメカニズム的理解と設計原理を提供します。