原子掺杂对固体燃料电池（SOFC）阴极材料的影响机理研究

In order to solve the problem that, the performance of the solid oxide battery got lower with the operating temperature get lower, scientists want to get oxide cathode materials with high oxygen ion-electric conductivity by introducing extensional stress or the control of the synthesis process. In this project, we focused on the perovskite oxide for the investigation goal. First, in theory design, the effect of different structures on the formation energy of oxygen vacancies and the transfers of oxygen ions was studied by means of doping different atoms or constructing different micro structures by interface. By the theory design, the designed materials can be synthesized through appropriate synthesis method. The micro structure of theses materials was charactered by high resolution technology and apparatus, and then the micro structure information of atomic scale was obtained. Comparing the consistent structure from calculated by first principles density functional theory with experimental observations, the electronic structural information will be comprehended. Finally, the experiments of electrochemical performance will be carry out and the theory simulation on the generation of oxygen vacancy and the oxygen ion conductivity will also be executed. These results will reveal the relationship between the micro-structure and oxygen ion vacancy and oxygen ion conductivity for the cathode material. And these results should provide theoretical and experimental evidence in order to explore the best cathode materials with higher ionic conductivity.

为解决降低固体氧化物电池操作温度而不影响性能的问题，理论上提出采用不等价掺杂、引入外延应力或控制合成工艺等手段获得高氧离子电子传导氧化物阴极材料。本项目拟以钙钛矿氧化物为研究对象，首先进行理论设计，通过掺杂杂原子或界面工程构建不同的微结构，研究不同结构对氧空位生成能和氧离子传导的影响。在此基础上采用适当的合成方法进行材料的合成，然后采用高分辨技术对材料的微结构进行分析，获得原子尺度的微结构信息，之后基于密度泛函理论的第一性原理计算获得与实验观测一致的结构，进而获得材料的电子结构信息。最后通过实验上的电化学性能测试与理论上氧空位生成及氧离子传导性的模拟，揭示阴极材料微结构与氧离子空位生成及氧离子传导性能之间的构效关系。为获得超高离子传导性能的阴极材料提供理论及实验依据。

固体氧化物燃料电池（SOFC）具有能力转换效率高，燃料适应性广的特性，是一种清洁高效的发电装置，是未来的发展主要方向。但SOFC的工作温度较高，限制了其全面的商业化应用，为了实现其商业应用的发展前景，需要降低SOFC的实际操作温度。本课题通过掺杂和表面修饰两种方法提高SOFC的阴极材料的性能。最近掺杂一种稀土金属元素和一种碱土金属元素的双掺杂CeO2固体电解质陶瓷材料引起了广泛研究兴趣，我们就在此基础上，通过溶胶凝胶法成功地向CeO2中引入了Ca和Sm两种元素，利用透射电子显微镜、选区电子衍射及能谱对其微观结构进行了分析，研究了元素掺杂改变晶格结构后对其电化学性能的影响。在此基础上又通过在La2NiO4阴极材料中掺杂少量Mg元素，用Mg原子取代在Ni位的原子，以改变原有材料的晶格匹配性，从而通过调节掺杂的元素量来调节材料的结构和性能，减少其极化电阻，提高电化学性能。在Mg原子掺杂改变材料的晶格结构对燃料电池的电化学性能的影响进行了基础的研究。. 综合上述结果，本研究为探讨原子掺杂对固体燃料电池的阴极材料的影响机理研究奠定了坚实的工作基础，并为氧化物表界面间掺杂原子的研究提供了重要的启示性线索。项目资助发表SCI论文6篇，培养本科生10名，硕士研究生3名。项目投入经费25.00万元，支出19.21万元，各项支出基本与预算相符。剩余经费5.79万元，剩余经费计划用于本项目的后续研究支出。