Electrodes à oxygène de cellules SOC

Electrodes à oxygène composites nanostructurées 

Dans le cadre du projet CELCER-EHT dédié à l’optimisation des cellules à oxydes solides (SOC), nous travaillons au développement de l’électrode à oxygène avec pour objectif la réduction de la température de fonctionnement de la cellule afin de faciliter le déploiement de cette technologie. La dégradation réduite des matériaux et composants à température intermédiaire (< 850 °C), ainsi qu’une augmentation du rendement du système suite à l’économie d’énergie requise pour le chauffer, ont des effets bénéfiques mutuels. En revanche, cette stratégie limite les cinétiques des réactions. La solution étudiée pour pallier cet inconvénient côté électrode à oxygène, a consisté à déposer sur l’électrolyte des couches actives fonctionnelles nanostructurées par atomisation électrostatique (ESD) et à base de matériaux présentant des propriétés de transport d’oxygène supérieures comme le La₂NiO_4+d (LNO).

Des couches actives à gradient de composition

Les études par impédance électrochimique (EIS) de électrodes en LNO ont démontré une contribution principale à la résistance de polarisation due à la réaction électrochimique aux sites actifs du LNO (Figure 2b, P2). Dans ce travail, pour améliorer les échanges de charges, des architectures alternatives d’électrodes à oxygène ont été conçues, tout en gardant une porosité élevée des couches actives fonctionnelles. L’approche a consisté à synthétiser des composites à gradient de composition, en modulant le ratio entre LNO et GDC (Ce_xGd_yO_z) dans l’épaisseur de la couche, et en cristallisant le LNO en grains de taille nanométrique. Cette microstructure a permis de contrôler la localisation des points de contact entre LNO et GDC.

Une réduction de la résistance de polarisation mesurée

En variant la composition totale en LNO et GDC des électrodes à gradient, une amélioration de la résistance de polarisation de 0.20 à 0.05 Ω.cm² a été obtenue à 750°C (Figure 2a) pour le matériau à gradient (LNO:GDC 72:25 %) par rapport au LNO de référence. Cette amélioration est liée à la réduction de la contribution P2 à l’impédance (Figure 2b). Ces résultats représentent une première étape réussie dans l’optimisation du transfert de charges. Pour aller plus loin, la fabrication de cellules complètes est en cours, ce qui permettra à la fois de vérifier les résultats sous polarisation et d’étudier la stabilité des électrodes à long terme.

Michael Spann & Elisabeth Djurado, LEPMI

Jérôme Laurencin, CEA-Liten