Exploring the impact of temperature and oxygen vacancy concentration on the oxygen ion conductivity of La0.6Sr0.4CoO3−δ and La0.6Sr0.4FeO3−δ

Abstract

In den heutigen Bemühungen gegen den Klimawandel werden derzeit und in naher Zukunft große Mengen erneuerbarer Energiequellen gebaut. Das Hauptziel bei der Umgestaltung des Energienetzes zu einem nachhaltigeren Netz ist die Speicherung großer Mengen kohlenstoffarmen Stroms, der typischerweise aufgrund seiner natürlichen Schwankungen nicht kontinuierlich verfügbar ist. Beispielsweise könnten Festoxidelektrolysezellen (SOEC) und Akkus die Grundlage für hocheffiziente Energiespeicher schaffen. Für diese Anwendungen werden häufig Materialien verwendet, die sowohl Ionen als auch Elektronen leiten können (MIEC). Daher konzentrieren sich viele Bemühungen auf die Charakterisierung und Optimierung der Ionenleitfähigkeit und Nichtstöchiometrie dieser Materialien. In dieser Arbeit werden die Sauerstoffionenleitfähigkeit und die Defektchemie in oxidischen Perowskitmaterialien wie La0.6Sr0.4FeO3−δ (LSF) und La0.6Sr0.4CoO3−δ (LSC) mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) untersucht. Diese Materialien wurden mittels gepulster Laserabscheidung (PLD) und Lithografie zu Dünnschicht-Mikroelektroden verarbeitet. Die Aktivierungsenergie der Ionenleitfähigkeit über einen großen Bereich von Sauerstoffleerstellenkonzentrationen wurde durch temperaturabhängige Messungen und verschiedene angelegte anodische Gleichspannungen bestimmt. Die Ergebnisse zeigen einen Anstieg der Aktivierungsenergie der Mobilität mit zunehmender Sauerstoffleerstellenkonzentration für LSC, während LSF eine relativ konstante Abhängigkeit aufweist. Diese Ergebnisse liefern ein tieferes Verständnis der Defektchemie sowohl in LSC als auch in LSF und ebnen den Weg für die Optimierung von MIEC-Materialien in Energiespeichertechnologien.

In the current effort against climate change, large quantities of renewable energy sources are being built and will be built in the near future. The main goal of transforming the energy grid into a more sustainable one is to store vast amounts of carbon-neutral electricity that is typically intermittent. For instance, Solid Oxide Electrolysis Cells (SOEC) and batteries could create the foundation for highly efficient energy storage applications. For these applications, Mixed Ionic and Electronic Conductors (MIEC) are frequently used due to their ability to conduct both ions and electrons. For this reason, efforts are directed toward the characterization and optimization of ionic conductivity and non-stochiometry in these materials. In this thesis, the oxygen ion conductivity and defect chemistry in perovskite oxide materials such as La0.6Sr0.4FeO3−δ (LSF) and La0.6Sr0.4CoO3−δ (LSC) are investigated via Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). These materials were fabricated into thin film microelectrodes via Pulsed Laser Deposition (PLD) and lithography. The activation energy of the ionic conductivity over a broad range of oxygen vacancy concentrations was determined through temperature-dependent measurements and different applied anodic DC biases. The results reveal an increase in activation energy of the mobility with increasing oxygen vacancy concentration for LSC, while LSF exhibits a relatively constant dependency. These results provide a deeper understanding of the defect chemistry in both LSC and LSF, paving the way for optimizing MIEC materials in energy storage technologies.