京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第20397号 / 工博第4334号 / 新制||工||1672(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科物質エネルギー化学専攻 / (主査)教授 安部 武志, 教授 作花 哲夫, 教授 陰山 洋 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第21121号 / 工博第4485号 / 新制||工||1697(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科物質エネルギー化学専攻 / (主査)教授 安部 武志, 教授 阿部 竜, 教授 作花 哲夫 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

The interactions between different components of solid oxide cells (SOCs) are critical issues for achieving the tens of thousands of hour's goal for long-term performance stability and lifetime. The interactions between the ceramic electrolyte, porous ceramic air electrode, and metallic interconnect materials — including solid state interfacial reactions and vaporization/deposition of some volatile elements — have been investigated in the simulated SOC operating environment. The interactions demonstrate the material degradation mechanisms of the cell components and the effects of different factors such as chemical composition and microstructure of the materials, as well as atmosphere and current load on the air electrode side. In the aspect of materials, this work contributes to the degradation mechanism on the air electrode side and provides practical material design criteria for long-term SOC operation. In this research, an yttria-stabilized zirconia electrolyte (YSZ)/strontium-doped lanthanum manganite electrode (LSM)/AISI 441 stainless steel interconnect tri-layer structure has been fabricated in order to simulate the air electrode working environment of a real cell. The tri-layer samples have been treated in dry/moist air atmospheres at 800°C for up to 500 h. The LSM air electrode shows slight grain growth, but the growth is less in moist atmospheres. The amount of Cr deposition on the LSM surface is slightly more for the samples thermally treated in the moist atmospheres. At the YSZ/LSM interface, La enrichment is significant while Mn depletion occurs. The Cr deposition at the YSZ/LSM interface is observed. The stoichiometry of the air electrode is an important factor for the interactions. The air electrode composition has been varied by changing the x value in (La0.8Sr0.2)xMnO₃ from 0.95 to 1.05 (LSM95, LSM100, and LSM105). The enrichment of La at the YSZ/LSM interface inhibits the Cr deposition. The mechanisms of Cr poisoning and LSM elemental surface segregation are discussed. A 200 mA·cm-2 current load have been applied on the simulated cells. Mn is a key element for Cr deposition under polarization. Excessive Mn in the LSM lessens the formation of La-containing phases at the YSZ/LSM interface and accelerates Cr deposition. Deficient Mn in LSM leads to extensive interfacial reaction with YSZ forming more La-containing phase and inhibiting Cr deposition. / Ph. D.

Les accumulateurs métal-air possèdent des densités d'énergie théoriques très élevées, et sont considérés comme de candidats idéaux en vue d'une rupture technologique dans les domaines des véhicules électriques et du stockage stationnaire à grande échelle. Un accumulateur métal-air opérant dans un électrolyte aqueux est peu coûteux, plus sûr, recyclable et a une faible empreinte environnementale. Ainsi, l'aboutissement de cette technologie naissante serait une alternative crédible aux accumulateurs Li-ion qui ont atteint un niveau de maturité technologique. Toutefois, le principal verrou scientifique à lever pour amener ces systèmes dans une réalité commerciale, concerne le développement d'électrodes à air bifonctionnelles. Cela nécessite la conception de catalyseurs peu coûteux et performants vis-à-vis des réactions de réduction (décharge) et de dégagement du dioxygène (charge). Les études ont porté sur la préparation de dérivés du graphène, de cobaltites et de matériaux composites carbone/oxyde. Des caractérisations physicochimiqes ont permis d'accéder à une meilleure compréhension des effets induits par leur composition, leurs propriétés électroniques et morphostructurales. Des expériences ont été conduites pour séparer les effets induits par la nature chimique du support carboné de ceux résultant de l'incorporation d'hétéroatomes ou des propriétés de surface des cobaltites. En outre, une partie de ce travail a été consacrée à l'étude de l'effet de la nature chimique de l'électrolyte (LiOH et K2ZnOH4) sur l'activité et la stabilité des nanoparticules de Co3O4 supportées sur oxyde de graphène réduit et bi-dopé à l'azote et au soufre lors l'électrocatalyse du dioxygène. / Rechargeable metal-air batteries exhibit high theoretical energy densities, and could be an ideal candidate for a technological breakthrough in the field of electric vehicles and large-scale stationary energy storage. Aqueous metal-air batteries are low-cost, safe, recyclable, and have environmental footprint. Thus, the outcome of this emerging technology could offer a credible alternative to Li-ion batteries, which are reaching a technology readiness level. However, the main scientific challenge to bring these systems into a commercial reality concerns the development of bifunctional air electrodes. This requires the design of low-cost, stable and efficient catalysts for both oxygen reduction (discharge) and oxygen evolution reactions (charge). The present work focuses on various investigations of electrocatalysts derived from graphene, cobaltites and carbon/oxide composites. The main objective was the better understanding of the effects induced by their composition, their electronic and morphostructural properties on the catalytic activity and stability of materials towards oxygen electrocatalysis. Experiments were thereby conducted in order to be able to separate effects induced by chemical nature of the carbon substrate from those resulted in the incorporation of heteroatoms or from the spinel cobaltites surface properties. In addition, a part of this study dealt with the impact of the chemical nature of the electrolyte (LiOH and K2ZnOH4) encountered in real aqueous alkali Li-air and Zn-air batteries on the activity and stability of Co3O4/N;S-RGO nanocomposites towards oxygen electrocatalysis.

Différentes membranes conductrices anioniques ont été développées pour protéger une électrode à air fonctionnant dans une batterie Zinc-Air alimentée par de l’air ambiant. Dans ces conditions, le dioxyde de carbone contenu dans l’air, en contact avec l’électrolyte basique, se transforme en carbonate de potassium qui précipite dans la structure poreuse de l’électrode. Cela provoque l’augmentation de sa résistance et la perte de son étanchéité, et l’électrode n’est alors stable que 80 heures. L’objectif de cette étude est donc de rendre stable une électrode à air pendant 3000 heures de fonctionnement.Pour cela, différents réseaux (semi-)interpénétrés de polymères ont donc été développés en associant un polyélectrolyte et un réseau partenaire neutre. La polyépichlorhydrine greffée avec du 1,4-diazabicyclo(2,2,2)octane et un polyélectrolyte fluoré ont été choisis comme polymère conducteur anionique. Des réseaux neutres à base de poly(méthacrylate de 2-hydroxyéthyle), d’alcool polyvinylique et de perfluoropolyéther leur ont été, tour à tour, associés. Les propriétés physico-chimiques des différentes membranes développées ont été caractérisées selon leur densité de charges et leur composition. Les membranes présentant les meilleures propriétés requises (conductivité anionique, prise en masse limitée, sélectivité, …) ont ensuite été assemblées sur des électrodes à air dont le potentiel et la stabilité ont été évalués au cours du fonctionnement en demi-cellule. Ainsi, une électrode à air modifiée avec de telles membranes peut présenter un potentiel stable pendant 6800 heures de fonctionnement à -30mA/cm². / Different anionic conducting membranes have been developed to protect an air electrode operating in a Zinc-Air battery fed with ambient air. Under those conditions, carbon dioxide from atmospheric air reacts with the alkaline electrolyte, and is then transformed into potassium carbonate. The precipitate of this carbonate inside the electrode porous structure leads to the increase of the system resistance and the loss of its sealing after 80 h of operation. The objective of this study focuses on the improvement of the stability of an air electrode for 3000 h of operation, by protecting it from carbonation reaction with a polymer membrane.For this, different (semi-)interpenetrating polymer networks have therefore been developed combining a polyelectrolyte and a neutral network partner. Polyepichlorohydrin grafted with 1,4-diazabicyclo (2,2,2) octane and a fluorinated polyelectrolyte were chosen as anionic conductive polymer. Neutral networks based on poly (2-hydroxyethyl methacrylate), polyvinyl alcohol and perfluoropolyether were then, alternately, associated to the polyelectrolyte. The physico-chemical properties of the various developed membranes were characterized according to their charge density and composition. The membranes with the best required properties (anionic conductivity, limited weight uptake, selectivity ...) were then assembled on air electrodes whose potential and stability have been evaluated during the operation in half-cell. Thus, an air electrode modified with such membranes maintains a stable potential during 6800 hours of running at -30mA / cm².

[ES] Un aumento de la generación de energía a partir de fuentes renovables (solar, eólica) requiere una alta flexibilidad de las redes eléctricas. En este sentido, las baterías de flujo redox de vanadio (BFRV) han demostrado una excelente capacidad para proporcionar dicha flexibilidad, mediante el almacenamiento eficiente de energía eléctrica en el rango de los kWh a los MWh. Sin embargo, sus elevados costes son en la actualidad unos de los mayores inconvenientes que dificultan una amplia penetración en el mercado. En la presente Tesis Doctoral se presenta el desarrollo y evaluación de una celda tubular especialmente diseñada con una membrana de 5.0mm. Las células tubulares así diseñadas deberían alcanzar una mayor densidad de potencia (kWm^(-3)). Del mismo modo, la sustitución de uno de los electrodos por un electrodo bifuncional de aire debería de incrementar la energía específica de dicha celda (Whkg^(-1)) y reducir, por tanto, los costes energéticos asociados (€/kWh). El diseño de la celda desarrollado en la presente Tesis Doctoral facilita la fabricación de los colectores y membranas actuales con el empleo de procesos de extrusión y marca un paso importante hacia la fabricación rentable de semiceldas y celdas completas en el futuro. Para evaluar el comportamiento de la nueva celda diseñada se han llevado a cabo estudios de polarización, de espectroscopia de impedancia, y medidas de ciclos de carga/descarga. Las celdas desarrolladas presentan una corriente de descarga máxima de 89.7mAcm^(-2) y una densidad de potencia de 179.2kW/m^3. Además, los bajos sobrepotenciales residuales obtenidos en los electrodos de la celda resultan prometedores. No obstante, la resistencia del área específica de celda de 3.2 ohm*cm² impone limitaciones significativas en la densidad de corriente. Eficiencias Coulomb del 95 % han sido obtenidas, comparables a los valores alcanzados en celdas planas de referencia. Sin embargo, las pérdidas óhmicas resultan elevadas, reduciendo la eficiencia energética del sistema al 56 %. Las celdas tubulares fabricadas con un electrodo de difusión de gas de una sola capa con Pt/IrO2 como catalizador permiten alcanzar densidades de corriente máximas de 32mAcm^(-2) (Ecell =2.1 V/0.56V Ch/Dch). Los elevados sobrepotenciales de activación y el reducido voltaje en circuito abierto (debido a potenciales mixtos) conducen a una densidad de potencia comparativamente baja de 15.4mW/ cm². El paso de iones de vanadio a través de la membrana se considera uno de los grandes inconvenientes en este tipo de celdas tubulares, lo que lleva a que la densidad de energía real de 23.2Wh l^(-1) caiga por debajo del valor nominal de 63.9Wh l^(-1). / [CA] Un augment de la generació d'energia a partir de fonts renovables (solar, eòlica) requereix una alta flexibilitat de les xarxes elèctriques. En aquest sentit, les bateries de flux redox de vanadi (VRFB) han demostrat una excel·lent capacitat per a proporcionar aquesta flexibilitat, mitjançant l'emmagatzematge eficient d'energia elèctrica en el rang dels kWh als MWh. En la present Tesi Doctoral es presenta el desenvolupament i avaluació d'una cel·la tubular especialment dissenyada amb una membrana de 5.0mm. Les cèl·lules tubulars així dissenyades haurien assolir una major densitat de potència (kWm^(-3)). De la mateixa manera, la substitució d'un dels elèctrodes per un elèctrode bifuncional d'aire hauria d'incrementar l'energia específica d'aquesta cel·la (Whkg^(-1)) i reduir, per tant, els costos energètics associats (€/kWh). El disseny de la cel·la desenvolupat en la present tesi doctoral facilita la fabricació dels col·lectors i membranes actuals amb l'ocupació de processos d'extrusió i marca un pas important cap a la fabricació rendible de semiceldas i cel·les completes en el futur. Per avaluar el comportament de la nova cel·la dissenyada s'han dut a terme estudis de polarització, d'espectroscòpia d'impedància, i mesures de cicles de càrrega/ descàrrega. Les cel·les desenvolupades presenten un corrent de descàrrega màxima de 89.7mAcm^(-2) i una densitat de potència de 179.2kW/m^3. A més, els baixos sobrepotencials residuals obtinguts en els elèctrodes de la cel·la resulten prometedors. No obstant això, la resistència de l'àrea específica de cel·la de 3.2 ohm*cm² imposa limitacions significatives en la densitat de corrent. Eficiències Coulomb del 95 % han estat obtingudes, comparables als valors assolits en cel·les planes de referència. No obstant això, les pèrdues òhmiques resulten elevades, reduint l'eficiència energètica del sistema al 56 %. Les cel·les tubulars fabricades amb un elèctrode de difusió de gas d'una sola capa amb Pt/IrO2 com a catalitzador permeten assolir densitats de corrent màximes de 32mAcm^(-2) (Ecell =2.1 V/0.56V Ch/Dch). Els elevats sobrepotencials d'activació i el reduït voltatge en circuit obert (a causa de potencials mixtes) condueixen a una densitat de potència comparativament baixa de 15.4mW/ cm². El pas de ions de vanadi a través de la membrana es considera un dels grans inconvenients en aquest tipus de cel·les tubulars, el que porta al fet que la densitat d'energia real de23.2Wh l^(-1) caigui per sota del valor nominal de 63.9Wh l^(-1). / [EN] An increase of the power generation from volatile renewable sources (solar, wind) requires a high flexibility in power grids. All Vanadium Redox Flow Batteries (VRFBs) have demonstrated their ability to provide flexibility by storing electrical energy on a kWh to MWh scale. High power and energy specific costs do, however prevent a wide market penetration. In this dissertation a tubular cell design with a membrane diameter of 5.0mm is developed and evaluated. Tubular VRFB cells shall lead to an enhanced power den- sity (kWm^(-3)). Replacement of an electrode with a bifunctional air electrode (Vanadium/ Air Redox Flow Battery) shall allow to increase the specific energy (Whkg^(-1)) and reduce energy specific costs (€/kWh). The developed design facilitates a fabrication of the current collectors and membrane by an extrusion process and marks an important step towards the cost-efficient ex- trusion of entire half cells and cells in the future. To evaluate the cell performance and investigate loss mechanisms, polarization curve, electrochemical impedance spectroscopy and charge/discharge cycling measurements are conducted. Tubular VRFB cells with flow-by electrodes reveal a maximum dis- charge current and power density of 89.7mAcm^(-2) and 179.2kW/m^3, respectively. Low residual overpotentials at the cell's electrodes are encouraging, but the area spe- cific cell resistance of 3.2 ohm*cm² imposes limitations on the current density. Coulomb efficiencies of 95% are comparable to values of planar reference cells, but high ohmic losses reduce the system energy efficiency to 56 %. Tubular VARFB cells with a mono-layered gas diffusion electrode and a Pt/IrO2 catalyst allow for a maximum current density of 32mAcm^(-2) (Ecell =2.1 V/0.56V Ch/Dch). High activation overpotentials and a reduced open-circuit voltage (due to mixed potentials) lead to a comparably low power density of 15.4mW/ cm². Cross- over of vanadium ions through the membrane are considered as a major drawback for tubular VARFB cells and the actual energy density of 23.2Wh l^(-1) falls below the nominal value of Wh l^(-1). / Financial support of my research activities was provided by the BMBF through the common research project tubulAir±. / Ressel, SP. (2019). Tubular All Vanadium and Vanadium/Air Redox Flow Cells [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/131203