Development of doped bismuth oxide based composite cathodes for reversible solid oxide cells

Le celle reversibili a combustibile ad ossidi sollidi (in inglese, Solid Oxide Cells o SOCs) avranno un ruolo di primo piano nella decarbonizzazione del settore dell'energia, grazie alla maggiore efficienza e flessibilità nel combustibile rispetto ad altre tipologie di celle a combustibile. La diminuzione della temperatura di funzionamento in un intervallo di temperature tra 600-800 °C è uno degli obiettivi principali per rendere questi dispositivi più competitivi sul mercato, permettendo infatti di allargare la scelta dei materiali dei componenti, migliorare la stabilità a lungo termine, ridurre il tempo di accensione e diminuire i costi di tutto il sitema, grazie all'adozione di acciai più economici per connettori e collettori. Tuttavia una temperatura di funzionamento minore porta alla riduzione della conduttività elettronica e ionica degli elettrodi e dell'ellettrolita e della cinetica delle reazioni elettrochimiche, aumentando resistenze elettriche e perdite di polarizzazione. Nella configurazione che adotta l'anodo come supporto, la maggior parte delle perdite di polarizzazione (fino al 65%) è attribuibile al catodo, poichè l'energia di attivazione è maggiore e la cinetica della reazione di riduzione dell'ossigeno più lenta. Per questo motivo, gli sforzi dei ricercatori negli ultimi anni si sono concentrati sul miglioramento delle performance e della stabilità del catodo per aumentare la densità di potenza e la stabilità delle SOCs a temperatura intermedia. Le ricerche in questo campo hanno dimostrato che la sintesi di un catodo composito, incorporando un fase caratterizzata da un'eccellente conduttività ionica all'interno dell'elettrodo, permette di aumentare le prestazioni e la stabilità della cella. In questo studio sono stati sintetizzati, adottando il metodo sol-gel, catodi compositi formati dal 50% in peso di materiali conduttori elettrici o MIEC (Mixed Ionic Electronic Materials), come LSM, LSCF e BSCF, e 50% di ESB, un ottimo conduttore ionico. Questi catodi sono stati applicati direttamente sull'elettrolita YSZ e testati elettrochimicamente con polarizzazione anodica, catodica e a circuito aperto. Una diminuzione consistente della resistenza elettrica di contatto tra elettrodo e elettrolita è stata osservata durante i test, a conseguenza della formazione di un'interfaccia performante tra i componenti indotta dalla polarizzazione, dimostrando così l'efficacia del metodo utilizzato. Dopo i test elettrochimici, la morfologia e la microstruttura dell'interfaccia sono stati investigati con l'utilizzo di microscopi elettronici. Nella sintesi del catodo per primo è stato utilizzato il metodo della miscelazione meccanica dei materiali e successivamente il "gelation method", un metodo di decorazione dell'elettrodo semplice ed efficace che ha permesso la formazione di un catodo nanostrutturato, aumentando prestazione e stabilità, soprattutto durante il funzionamento della cella come elettrolita. Sono state raggiunte resistenze di polarizzazione inferiori a 0.1 Ω cm^2 dopo la polarizzazione catodica di 12 ore a 700 °C del catodo LSM decorato con ESB, molto inferiori di quelle registrate nel caso di LSM puro a temperature maggiori e con la stessa configurazione. Nel primo capitolo di questa tesi è presentata una breve introduzione e descrizione dei fondamentali delle celle a combustibile reversibili. In seguito, le celle a combustibile sono descritte più dettagliatamente, con un approfondimento sui compositi catodi, sull'approccio in situ e sull'interfaccia elettrolita/catodo. Infine, dopo aver illustrato la metodologia e gli strumenti utilizzati durante gli esperimenti, è proposta una discussione e un'analisi dei risultati dei test.