弛豫時間分布法分解固體氧化物燃料電池電化學阻抗譜

莊林

武漢大學化學與分子科學學院，武漢 430072

固體氧化物燃料電池阻抗譜中不同電化學過程對應(yīng)的特征頻率響應(yīng)。

電化學交流阻抗譜(Electrochemical Impedance Spectrum，EIS)是非常實用的電化學表征技術(shù)之一，被廣泛地用于科學研究當中。其工作原理是在很寬的頻率范圍內(nèi)(mHz-MHz)獲得一個小電流/電壓偏置信號的響應(yīng)特性1，據(jù)此信息可以獲得不同時間尺度下發(fā)生的物理、電化學過程，包括物質(zhì)運輸、反應(yīng)動力學甚至熱力學過程等2。通過解析EIS數(shù)據(jù)確定反應(yīng)歷程，并獲得相應(yīng)參數(shù)的定量值(即擴散系數(shù)，反應(yīng)速率常數(shù)等)是闡明反應(yīng)過程本質(zhì)的基礎(chǔ)。用于解析EIS數(shù)據(jù)的最常用方法是等效電路模型法(Equivalent Circuit Method，ECM)。但是這種方法存在明顯的不足，即同一個阻抗譜能夠用多個等效電路擬合3，擬合過程缺乏科學的理論支撐。

近年來，弛豫時間分布法(Distribution of Relaxation Time，DRT)開始得到越來越多的研究4-6。該方法將一系列的電化學反應(yīng)與相應(yīng)的弛豫時間一一關(guān)聯(lián)，弛豫時間分布的統(tǒng)計結(jié)果能反映實際電化學反應(yīng)的主次情況。德國卡爾斯魯厄理工學院Ivers-Tiffée團隊在固體氧化物燃料電池4和鋰離子電池7領(lǐng)域發(fā)展并成功應(yīng)用了此種方法。對于燃料電池來說，阻抗譜中包含的信息有歐姆阻抗和極化阻抗；極化阻抗還可以細分為陽極活化極化阻抗、陽極濃差極化阻抗、陰極活化極化阻抗和陰極極濃差極化阻抗四種，而獲得上述阻抗數(shù)值的準確大小是研究燃料電池性能和穩(wěn)定性的關(guān)鍵步驟8。清華大學能源與動力工程系韓敏芳等人根據(jù)固體氧化物燃料電池中的極化理論基礎(chǔ)，系統(tǒng)設(shè)計了阻抗的差異化研究實驗方案，成功地分解出Ni-YSZ|YSZ|GDC|LSCF型燃料電池中六個特征的物理和電化學過程，其中Ni-YSZ (Ni-Yttria Stabilized Zirconia, 氧化釔穩(wěn)定氧化鋯)為陽極，YSZ為電解質(zhì)，GDC (Gadolinia Doped Ceria, 氧化釓摻雜氧化鈰)為隔離層，LSCF(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ)為陰極。最終又基于DRT結(jié)果，確定了該電池的等效電路并予以擬合，計算出各過程的阻抗占比。

該工作已在物理化學學報上在線發(fā)表(doi:10.3866/PKU.WHXB201806071)9。該文章實驗方案設(shè)計可靠，從改變溫度到改變陰、陽極氣體組分(改變有效氧分壓)，為電池的DRT結(jié)果提供了科學、可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。而且該工作貫穿了阻抗差異分析法、弛豫時間分布法和等效電路擬合法，為燃料電池的阻抗譜研究提供了一條完整的分析方法，具有廣泛的普適性，可以為燃料電池的阻抗譜研究提供指導。