Investigating of mixed conducting oxygen storage electrodes via chemical capacitance measurements

Abstract

Feste gemischtleitende Oxide (MIECs) werden häufig in Energieanwendungen wie zum Beispiel Hochtemperatur-Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC), Festoxid-Elektrolysezellen (SOEC) und Sauerstoffpermeationsmembranen eingesetzt. Die Eigenschaft, sowohl ionische Sauerstoffleerstellen als auch elektronische Ladungsträger zu leiten, und die daraus resultierende Variabilität der Sauerstoff-Nichtstöchiometrie machen sie jedoch auch zu attraktiven Anoden- und Kathodenmaterialien für Oxidionenbatterien. Diese basieren auf dem Transport von O2–-Ionen zwischen Anode und Kathode durch einen Elektrolyten über Sauerstoffleerstellen. Geeignete Elektrodenmaterialien benötigen daher nicht nur eine gute Ionen- und Elektronenleitfähigkeit, sondern auch eine Variabilität an der Sauerstoff-Nichtstöchiometrie (δ), um große Mengen an Ladung chemisch zu speichern. In dieser Arbeit wurden diverse Materialien (La0.6Sr0.4FeO3–δ (LSF), Gd:CeO2 (GDC), La0.5Sr0.5Cr0.2Mn0.8O3–δ (LSCrMn), La2NiO4+δ (LNO), YBaCo4O7–δ (YBCo4O7), SrTiO3 Strontium Titanat (STO), La0.8Ca0.2FeO3–δ (LCF)) auf ihre Verwendbarkeit als Elektrodenmaterialien in Oxidionenbatterien untersucht. Dafür wurden Dünnfilm-Mikroelektroden auf Einkristall-Festelektrolyten aus yttriumstabilisiertem Zirkonoxid YSZ hergestellt. Anschließend wurden elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) Messungen über einen breiten Temperatur- (T = 300 - 600 °C) und Frequenzbereich (f = 106 - 4 · 10−3 Hz) durchgeführt. Die, aus den Impedanzspektren bestimmte, chemische Kapazität ermöglicht die Vorhersage der Lade-/Entladekurven der entsprechenden Elektrode. Diese wurden anschließend mit den Lade-/Entladekurven von Gleichspannungsmessungen verglichen.

Solid Mixed Ionic Electronic Conductors (MIECs) are frequently used in energy applications, such as high temperature Solid Oxide Fuel Cells (SOFC), Solid Oxide Electrolysis Cells (SOEC) and oxygen permeation membranes. However, their ability to conduct both ionic oxygen vacancies and electronic charge carriers and the resulting variability of the oxygen non-stoichiometry also makes them attractive oxide ion battery anode and cathode materials. Those are based on the transport of O2– ions between the anode and cathode through an electrolyte via oxygen vacancies. Therefore, suitable electrode materials not only need good ion and electron conductivity, but also a highly variable oxygen non-stoichiometry (δ) to chemically store large amounts of charge. In this work, several candidates (La0.6Sr0.4FeO3–δ (LSF), Gd:CeO2 (GDC), La0.5Sr0.5Cr0.2Mn0.8O3–δ (LSCrMn), La2NiO4+δ (LNO), YBaCo4O7–δ (YBCo4O7) and SrTiO3 Strontium Titanate (STO), La0.8Ca0.2FeO3–δ (LCF)) are investigated for their usability as electrode materials in oxide ion batteries. Thin film microelectrodes were prepared on Yttrium stabilized Zirconia (YSZ) single crystal solid electrolytes. Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) measurements were conducted over a wide range of temperatures (T = 300 – 600 °C) and frequencies (f = 106 – 4 · 10−3 Hz). The chemical capacitance extracted from the impedance spectra allow predicting the charge/discharge characteristics of the corresponding electrode. These were then compared with charge/discharge characteristics obtained by DC voltage measurements.