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的特征頻率響應。

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(mHz-MHz)獲得一個小電流/電壓偏置信號的響應特性1，據此信息可以獲得不同時間尺度下發生的物理、電化學過程，包括物質運輸、反應動力學甚至熱力學過程等2。通過解析EIS數據確定反應歷程，并獲得相應參數的定量值(即擴散系數，反應速率常數等)是闡明反應過程本質的基礎。用于解析EIS數據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與相應的弛豫時間一一關聯，弛豫時間分布的統計結果能反映實際電化學反應的主次情況。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領域發展并成功應用了此種方法。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，而獲得上述阻抗數值的準確大小是研究燃料電池性能和穩定性的關鍵步驟8。清華大學能源與動力工程系韓敏芳等人根據固體氧化物燃料電池中的極化理論基礎，系統設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, 氧化釔穩定氧化鋯)為陽極，YSZ為電解質，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表(doi:10.3866/PKU.WHXB201806071)9。該文章實驗方案設計可靠，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結果提供了科學、可靠的數據基礎。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。