第一作者: Zhongtao Ma??

通訊作者: S?ren B. Simonsen

通訊單位: 丹麥技術(shù)大學(xué)（DTU Energy）

論文速覽:

本研究利用原位透射電子顯微鏡（TEM）結(jié)合電化學(xué)阻抗譜（EIS）技術(shù)，對(duì)模型固態(tài)氧化物電解/燃料電池（SOEC/SOFC）進(jìn)行了分析。

電池的電極由摻鎘的氧化鈰（CeO2-Gd, CGO）制成，電解質(zhì)為穩(wěn)定的氧化鋯（ZrO2-Y2O3, YSZ）。通過脈沖激光沉積（PLD）和后續(xù)的FIB-SEM處理過程，模型電池被安裝在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）芯片上進(jìn)行原位TEM測(cè)試。在環(huán)境TEM（ETEM）下，電池在反應(yīng)氣體（H2和H2O）和適用于SOEC和SOFC操作的高溫下以及施加的電位下進(jìn)行了測(cè)試。

研究發(fā)現(xiàn)YSZ離子傳輸和CGO表面反應(yīng)的活化能分別為0.9 eV和0.5 eV，與文獻(xiàn)值相符。該工作證明了在ETEM內(nèi)直接進(jìn)行SOEC/SOFC全電池測(cè)試的可行性，包括在電池運(yùn)行期間進(jìn)行EIS分析，為電池的電化學(xué)反應(yīng)、傳輸和降解機(jī)制提供了深入的見解。

圖文導(dǎo)讀:

圖1: ETEM和MEMS芯片的位置示意圖、芯片配置、安裝的CGO-YSZ-CGO電池的幾何形狀，以及原位TEM圖像和從安裝模型電池記錄的EIS譜。

圖2:?安裝在MEMS芯片上的電池的SEM圖像和SEM-EDS圖，以及高分辨率TEM（HRTEM）圖像和對(duì)應(yīng)的快速傅里葉變換（FFT）。

圖3: H2/H2O混合氣體中，不同讀出溫度下CGO-YSZ-CGO電池的原位TEM圖像和相應(yīng)的EIS譜，以及電解質(zhì)電阻率和特定面積表面交換電阻的阿倫尼烏斯圖。

高端表征:

1. 透射電鏡:

本研究中，透射電鏡技術(shù)用于對(duì)固態(tài)氧化物電解/燃料電池（SOEC/SOFC）的模型電池進(jìn)行原位分析。通過結(jié)合電化學(xué)阻抗譜（EIS），研究者能夠在電池運(yùn)行期間對(duì)電池的納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察。模型電池被安裝在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）芯片上，并在環(huán)境透射電鏡（ETEM）中進(jìn)行測(cè)試。

在高達(dá)800°C的溫度和反應(yīng)氣體（H2和H2O）的條件下，研究者成功獲取了清晰的TEM圖像和EIS譜，從而深入理解了電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)、傳輸和降解機(jī)制。

2. 原位測(cè)試 :

研究中的原位測(cè)試是在環(huán)境透射電鏡（ETEM）下進(jìn)行的，這允許研究者在電池操作的整個(gè)過程中，即在高溫和反應(yīng)氣體環(huán)境下，對(duì)電池進(jìn)行電化學(xué)性能的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

通過原位TEM，研究者能夠直接觀察到電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，如YSZ和CGO層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以及電池界面的清晰度。

此外，通過電化學(xué)阻抗譜（EIS）分析，研究者能夠提取出YSZ電解質(zhì)和CGO電極的電阻率和表面反應(yīng)電阻，這些數(shù)據(jù)對(duì)于理解電池的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。

亮點(diǎn)介紹:

1. 首次在ETEM環(huán)境下對(duì)SOEC/SOFC模型電池進(jìn)行了全面的原位測(cè)試，包括在電池運(yùn)行期間進(jìn)行EIS分析。

2. 通過先進(jìn)的表征工具，實(shí)現(xiàn)了在反應(yīng)氣體環(huán)境、高溫和電極化條件下對(duì)電池納米結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)觀察。

3. 研究結(jié)果揭示了YSZ離子傳輸和CGO表面反應(yīng)的活化能，與文獻(xiàn)值一致，驗(yàn)證了測(cè)試的可靠性。

4. 通過原位TEM圖像確認(rèn)了在測(cè)試條件下電極和電解質(zhì)材料的穩(wěn)定性，沒有觀察到結(jié)構(gòu)變化。

5. 該研究展示了在TEM內(nèi)對(duì)電化學(xué)電池進(jìn)行分析的潛力，并為研究其他類型的電化學(xué)設(shè)備（如固態(tài)電池）提供了通用方法。

文獻(xiàn)信息:

標(biāo)題: Operando Electron Microscopy and Impedance Analysis of Solid Oxide Electrolysis and Fuel Cells

期刊: ACS Energy Lett.