Durable and High-Performance Thin-Film BHYb-Coated BZCYYb Bilayer Electrolytes for Proton-Conducting Reversible Solid Oxide Cells

材料科学 电解质 双层 化学工程 电化学 氧化物 电导率 化学稳定性 纳米技术 电极 膜 化学 生物化学 工程类 物理化学 冶金
作者
Nicholas Kane,Zheyu Luo,Yucun Zhou,Yong Ling Ding,Alex S. Weidenbach,Weilin Zhang,Meilin Liu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (27): 32395-32403 被引量:33
标识
DOI:10.1021/acsami.3c04627
摘要

High Resolution Image Download MS PowerPoint Slide Proton-conducting reversible solid oxide cells are a promising technology for efficient conversion between electricity and chemical fuels, making them well-suited for the deployment of renewable energies and load leveling. However, state-of-the-art proton conductors are limited by an inherent trade-off between conductivity and stability. The bilayer electrolyte design bypasses this limitation by combining a highly conductive electrolyte backbone (e.g., BaZr 0.1 Ce 0.7 Y 0.1 Yb 0.1 O 3−δ (BZCYYb1711)) with a highly stable protection layer (e.g., BaHf 0.8 Yb 0.2 O 3−δ (BHYb82)). Here, a BHYb82-BZCYYb1711 bilayer electrolyte is developed, which dramatically enhances the chemical stability while maintaining high electrochemical performance. The dense and epitaxial BHYb82 protection layer effectively protects the BZCYYb1711 from degradation in contaminating atmospheres such as high concentrations of steam and CO 2 . When exposed to CO 2 (3% H 2 O), the bilayer cell degrades at a rate of 0.4 to 1.1%/1000 h, which is much lower than the unmodified cells at 5.1 to 7.0%. The optimized BHYb82 thin-film coating adds negligible resistance to the BZCYYb1711 electrolyte while providing a greatly enhanced chemical stability. Bilayer-based single cells demonstrated state-of-the-art electrochemical performance, with a high peak power density of 1.22 W cm –2 in the fuel cell mode and −1.86 A cm –2 at 1.3 V in the electrolysis mode at 600 °C, while demonstrating excellent long-term stability.
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