Functionalization of Air Electrodes by Thin-Film Technologies in Solid Oxide Cells
Resum Les Cèl·lules d’Oxid Sòlid (SOC, per les seves sigles en anglès) estan emergint com una tecnologia clau en la transició cap a un sistema energètic sostenible basat en fonts renovables i hidrogen verd. La seva elevada eficiència tant en la generació elèctrica com en la producció d’hidrogen les...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Estado: | Versión publicada |
| Fecha de publicación: | 2025 |
| País: | España |
| Institución: | CBUC, CESCA |
| Repositorio: | TDR. Tesis Doctorales en Red |
| OAI Identifier: | oai:www.tdx.cat:10803/695393 |
| Acceso en línea: | http://hdl.handle.net/10803/695393 |
| Access Level: | acceso embargado |
| Palabra clave: | Capa fina Thin film Nanocompòsits Nanocomposites Nanocompuestos Cel·les d'òxid sòlid Solid oxid cells Celdas de óxido sólido Ciències Experimentals 00 |
| Sumario: | Resum Les Cèl·lules d’Oxid Sòlid (SOC, per les seves sigles en anglès) estan emergint com una tecnologia clau en la transició cap a un sistema energètic sostenible basat en fonts renovables i hidrogen verd. La seva elevada eficiència tant en la generació elèctrica com en la producció d’hidrogen les fa ideals per a aplicacions energètiques reversibles. Tanmateix, la seva implantació a gran escala encara està limitada per processos activats tèrmicament que requereixen altes temperatures de funcionament, fet que suposa un repte per a la seva integració. Aquestes condicions sovint condueixen a una degradació tèrmica, afectant el rendiment i la durabilitat a llarg termini de les SOC. Per això, hi ha un interès creixent en el desenvolupament de materials que permetin una activitat electroquímica més gran a temperatures més baixes i una millor estabilitat amb el temps. En aquest sentit, les capes primes (thin films) han demostrat un rendiment millorat en SOCs, amb una reducció significativa de l’ús de materials crítics, emprats en el sector energètic, com ara les SOCs, bateries de ions de liti i fotovoltaica. Aquesta tesi se centra en l’estudi de capes funcionals primes desenvolupades mitjançant diferents tecnologies i aplicades a l’electrode de l’aire, incloent-hi capes barrera primes i elèctrodes actius nanoestructurats. El treball s’ha dividit en tres parts: 1) estudi de capes barrera primes de Ce₀.₈Gd₀.₂O₂ (GDC) mitjançant magnetron sputtering, 2) desenvolupament d’un nanocompost autogenerat amb composició nominal La₀.₆Sr₀.₄CoO₃ – Ce₀.₈Sm₀.₂O₂ (LSC-SDC) mitjançant deposició làser pulsada (PLD) com a elèctrode d’oxigen actiu amb activitat i durabilitat millorades i 3) implementació de capes primes nanocompostes en dispositius SOC de gran superfície. La primera part presenta un treball sistemàtic sobre capes primes ultrafines de GDC (200 nm) fabricades mitjançant sputtering i tractades amb processament tèrmic ràpid (RTP), com a alternativa per a una fabricació més ràpida i eficient de les SOC. Es va comprovar que les capes primes de GDC optimitzades superaven en rendiment les capes poroses impreses (SoA), amb un comportament excel·lent tant en mode pila de combustible com en electròlisi. A més, l’RTP va resultar un tractament de recuit molt eficient. Finalment, es va dur a terme amb èxit l’escalat de la capa barrera sobre SOCs de gran superfície, provant-se en un short-stack amb col·lectors de corrent convencionals (SoA). La segona part introdueix capes primes nanocomposites autoorganitzades de LSC-SDC produïdes per PLD, presentant un estudi complet del material mitjançant tècniques avançades de caracterització. LSC-SDC va mostrar una activitat electroquímica excel·lent sota polarització anòdica, cosa que la fa adequada per a un funcionament reversible en SOC, amb una elevada estabilitat tèrmica. Finalment, la tercera part descriu la implementació del nanocompost LSC-SDC en SOCs de gran superfície, incloent-hi el procés d’optimització per transferir l’elèctrode compost de substrats model a substrats rellevants, és a dir, semicel·les suportades en Ni-YSZ. Es va demostrar el seu bon funcionament tant en mode pila de combustible (SOFC) com en mode electròlisi (SOEC) com a elèctrode actiu autònom, amb proves de durabilitat en ambdós modes, i el procés d’escalat mitjançant PLD. Finalment, el LSC-SDC va ser provat en un short-stack conjuntament amb cel·les compostes per nanocompostos de La₀.₈Sr₀.₂MnO₃ – Ce₀.₈Sm₀.₂O₂ (LSM-SDC) i La₀.₆Sr₀.₄Co₀.₂Fe₀.₈O₃ – Ce₀.₈Sm₀.₂O₂ (LSCF-SDC), prèviament estudiats pel nostre grup en substrats de petita àrea, demostrant que els nanocompostos autogenerats poden representar una alternativa important als porosos convencionals, amb una reducció de fins al 99% en l’ús de materials crítics. Aquesta tesi estudia el desenvolupament i integració de capes primes d’alt rendiment per a aplicacions SOC, centrant-se en la millora de la reversibilitat, durabilitat i escalabilitat. La implantació de capes barrera i elèctrodes nanoestructurats en cel·les grans destaca el seu potencial industrial. |
|---|