D0I:10.13374/i.issm1001053x.2003.02.017 第25卷第2期 北京科技大学学报 Vol.25 No.2 2003年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2003 熔融碳酸盐燃料电池阴极材料制备与导电性 李建玲”钱大伟”张世超)王新东” 1)北京科技大学冶金学院，北京1000832)北京航空航天大学材料学院，北京100083 摘要研究了熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)阴极材料锂铁氧化物电极的导电性能.实验 结果表明在合成锂铁氧化物的过程中，使L,CO,轻微过量，可以提高锂铁氧化物电极的导电 性，在同-温度下，随着LiFe值的增大，锂铁氧化物电极的导电性增加.相同Li:Fe条件下，锂 铁氧化物电极的导电性随着温度升高按指数规律增加.扫描电镜研究(SEM)表明，Li:F比值 不同，制备的锂铁氧化物电极表面形貌也不同， 关键词熔融碳酸盐燃料电池；锂铁氧化物；导电性 分类号TM911.4 锂化处理的NO具有电导率高、电催化活性1.3分析与测试 好和制造方便的优点，被视为标准的熔融碳酸盐 用两个镍电极夹住待测电极（本实验所用的 燃料电池(MCFC)阴极材料.然而，NiO所面临 各种待测电极均具有相同的尺寸)，构成测试电 的最大问题是，随电极长期运行，阴极在熔盐电 池.将测试电池放入坩埚电炉中，测试电极在不 解质中将发生溶解和再沉积，最终将导致电池短 同温度时的导电性，气氛为空气.测试仪器为英 路，严重影响电池寿命，因此，长期以来，许多科 国Solartron公司的1280B型电化学综合测试仪. 研工作者一直在研究用其他的材料取代O作 应用X射线衍射分析(XRD)分析了锂铁氧 为MCFC的阴极材料.LiCoO,和LiFeO,是近年 化物的晶型，通过电极表面的扫描电镜分析 来研究的重点，它们在熔盐电解质中的稳定性明 (SEM)研究了不同组分的锂铁氧化物制备的电 显地好于NiO,尤其是LiFeO,在熔盐电解质中几 极的表面形貌 乎不发生溶解，目前所要解决的就是其导电性问 题.本文通过改进LiFeO2粉体制备和电极制备， 2结果与讨论 改进其导电性，同时采用交流阻抗法研究了锂铁 2.1锂铁氧化物的XRD结果 氧化物作为MC℉C阴极材料时的导电性. 根据初始反应混合物中Li:Fe值的不同，合成 1实验 了四种锂铁氧化物：Li:Fe=l.0,Li:Fe=l.03,Li:Fe= 1.05和Li:Fe=1.1,这四种锂铁氧化物的XRD衍射 11锂铁氧化物的制备 图谱如图1所示. 将FezO和LiCO按照一定的比例混合，于坩 由图1可以看出，FeO和LCO,的混合物在 埚电炉中焙烧，反应温度900℃，反应时间20h, 900℃下反应20h,所得产物基本上是a-LiFeO2, 反应气氛为空气， 锂的含量并没有影响产物的晶型， 12电极制备 2.2锂铁氧化物电极的导电性 将制备好的锂铁氧化物与一定量的粘结剂、 (I)锂铁氧化物电极的导电性与Li:Fe比值的 增塑剂、有机溶剂混合，制成浆料，用流铸法制备 关系.用交流阻抗法研究了锂铁氧化物电极的导 电极.面积0.5cm2,厚度1.5mm. 电性，图2中的(a)(d)分别显示了LiFe=l.0,LiFe 收稿日期2002-0605李建玲女.31岁，讲师，博士 =l.03,Li:Fe=l.05和Li:Fe=1.1这四种锂铁氧化物 *国家自然科学基金资助项目No.50074003)和教有部骨千教 电极在650℃时的交流阻抗谱图. 师资助项目 由图2可以看出，锂铁氧化物电极电阻较大，第 2 5 卷 第 2 期 200 3 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l of U n iv e r s tiy o f S e i e n e e a n d Te eh n o l0 gy B e ij in g V bl 一 25 NO 一 2 A P r. 20 0 3 熔融碳酸盐燃料 电池 阴极材料制备与导 电性 李建玲 ” 钱 大 伟 ` , 张世超 ” 王 新 东 ” l )北京 科技 大学 冶金 学院 , 北 京 10 00 8 3 2 )北京 航空 航 天大 学材料 学 院 , 北京 10 0 0 8 3 摘 要 研究 了熔 融 碳酸 盐燃 料 电池 ( M C F C ) 阴 极材料 铿 铁氧 化物 电极 的导 电性 能 , 实验 结 果表 明在 合成 铿铁 氧 化物 的过 程 中 , 使 iL 刃0 3 轻微 过量 , 可 以提 高锉 铁 氧化 物 电极 的 导 电 性 . 在 同一温度 下 , 随着iL : eF 值 的增 大 , 铿 铁氧 化 物 电极 的导 电性 增 加 相 同 L 认eF 条 件下 , 锉 铁氧 化 物 电极 的导 电性 随着温 度 升 高按 指数 规律增 加 . 扫 描 电镜研 究 (s E M ) 表 明 , iL : eF 比 值 不 同 , 制 备 的锉 铁氧 化物 电极 表 面形貌 也 不 同 . 关 键 词 熔融 碳酸 盐燃 料 电池 ; 铿 铁氧 化 物 ; 导 电性 分 类号 T M gl l . 4 铿化 处 理 的 NI O 具有 电导 率 高 、 电催 化 活 性 好和 制 造方 便 的优 点 , 被视 为标 准 的熔 融 碳酸 盐 燃料 电池 ( M C F C ) 阴极 材 料 `, , . 然 而 , NI O 所 面 临 的最大 问题 是 , 随 电极 长 期 运 行 , 阴极在 熔盐 电 解 质 中将 发生溶 解和 再 沉积 , 最终 将 导致 电池 短 路 , 严重 影 响 电池 寿 命 . 因 此 , 长 期 以来 , 许 多 科 研 工作 者 一直 在 研 究用 其 他 的材 料 取 代 NI O 作 为 M C F C 的 阴极 材料 . L IC o O Z`, 一` ,和 L IF e O Z〔, 」是近 年 来研 究 的重 点 , 它们 在熔 盐 电解 质 中 的稳 定性 明 显地 好 于 N OI , 尤其 是 LI eF O Z在 熔盐 电解 质 中几 乎不 发 生溶 解 . 目前 所要 解 决 的就 是其 导 电性 问 题 . 本文 通 过 改进 LI eF O : 粉 体 制备和 电极 制 备 , 改进 其 导 电性 , 同 时采用 交 流 阻抗 法研 究了铿 铁 氧 化 物 作 为 M C F C 阴极材 料 时 的导 电性 . L 3 分 析 与 测 试 用 两个 镍 电极 夹 住 待 测 电极 (本 实 验 所用 的 各种 待 测 电 极均 具 有相 同 的尺 寸) , 构 成 测试 . 电 池 . 将 测 试 电池 放 入 柑祸 电炉 中 , 测 试 电极在 不 同温度 时 的 导 电性 , 气氛 为空 气 . 测 试 仪 . 器 为英 国 S ol a rt r o n 公 司 的 12 8 OB 型 电化 学 综合 测试 仪 . 应用 X 射 线 衍 射 分析 ( X R D ) 分 析 了锉铁 氧 化 物 的 晶 型 . 通 过 电 极 表 面 的 扫 描 电 镜 分 析 (S EM ) 研 究 了不 同组分 的铿 铁氧 化 物 制 备 的 电 极 的表 面形 貌 . 1 实验 1 1 锉 铁 氧 化物 的制 备 将 F e 2 0 。 和 iL Z C O 。 按 照一 定 的 比 例 混合 , 于柑 祸 电炉 中焙 烧 , 反应 温 度 9 0 ℃ , 反 应 时 间 20 h , 反 应气 氛 为空气 . 1 .2 电极 制备 将 制备 好 的锉 铁氧 化 物 与 一定 量 的粘 结剂 、 增 塑剂 、 有 机溶 剂 混合 , 制 成浆 料 , 用 流铸 法 制备 电极 , 面 积 .0 5 c m , , 厚度 L S m m . 收稿 日期 2 0 02 一6-D 5 李 建玲 女 , 31 岁 , 讲 师 , 博士 * 国家 自然 科学基 金资助项 目困.0 5 0 0 74 0 0 3) 和教 育部骨 千教 师 资助项 目 2 结 果 与讨 论 .2 1 锉 铁 氧 化物 的 X R D 结果 根 据初 始 反应 混合 物 中 iL : eF 值 的不 同 , 合 成 了四种 铿 铁 氧 化物 : iL : eF 城 . 0 , iL : eF =l . 03 , iL : eF 二 L 0 5 和 iL :F e 二 1 . 1 , 这 四种 铿 铁 氧 化物 的 X R D 衍 射 图谱 如 图 l 所 示 . 由图 1 可 以看 出 , F e ZO , 和 iL Z C O , 的 混合 物在 9 0 0℃ 下 反应 Z O h , 所得 产 物基 本 上是 二LI F e o : , 锉 的含 量 并 没有 影 响 产 物 的 晶型 , .2 2 锉 铁氧 化物 电极 的导 电性 ( l) 锉 铁 氧化 物 电极 的导 电性 与 iL : eF 比值 的 关系 . 用 交流 阻 抗法 研 究 了锉 铁氧 化 物 电极 的导 电性 , 图 2 中 的 ( a 卜(d )分 别 显 示 了 L i : F e 一 1 . 0 , L i : F e 二 L 03 , iL : F e = 1 . 0 5 和 iL :F e 二 1 . 1 这 四 种铿 铁 氧 化物 电极 在 6 5 0 ℃ 时 的交流 阻抗 谱 图 . 由 图 2 可 以 看 出 , 铿铁 氧 化物 电极 电阻较 大 , DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2003. 02. 017