Mixed ionic and electronic conducting $K_2NiF_4$-type oxide, $Nd_{2-x}Sr_xNiO_{4+\delta}$ (x = 0, 0.4, 0.6) powders were synthesized by a solid-state reaction technique and solid oxide fuel cells consisting of a $Nd_{2-x}Sr_xNiO_{4+\delta}-GDC$ cathode, a Ni-YSZ anode and 8YSZ as an electrolyte were fabricated. The effect of strontium substitution for neodymium on the electrical and electrochemical properties was examined. The electrical conductivity increased with an increase in the Sr doping content, while it appears that the excess oxygen (${\delta}$) decreased. Sr doping into $Nd_2NiO_{4+\delta}$ resulted in an increase in the cathode polarization resistance and an decrease in the power density of the cell. These phenomena may be associated with the decreased amount of excess oxygen noted in the $Nd_{2-x}Sr_xNiO_{4+\delta}$ cathode.
Nickel-doped lanthanum cobalt oxide (LaCo1-xNixO3-δ, LCN) was investigated as an alternative anode material for solid oxide fuel cells. To improve its catalytic activity for steam methane reforming (SMR) reaction, Ni2+ was substituted into Co3+ lattice in LaCoO3. LCN anode, synthesized using the Pechini method, reacts with yttria-stabilized zirconia (YSZ) electrolyte at high temperatures to form an electrochemically inactive phase such as La2Zr2O7. To minimize the interlayer by-products, the LCN was coated via a double-tape casting method on the Ni/YSZ anode as a catalytic functional layer. By increasing the Ni doping amount, oxygen vacancies in the LCN increased and the cell performance improved. CH4 fuel decomposed to H2 and CO via SMR reaction in the LCN functional layer. Hence, the LCN-coated Ni/YSZ anode exhibited better cell performance than the Ni/YSZ anode under H2 and CH4 fuels. LCN with 12 mol% of Ni (LCN12)-modified Ni/YSZ anode showed excellent long-term stability under H2 and CH4 conditions.
The effect of the application of lanthanum strontrium manganite and yttria-stabilized zirconia (LSM-YSZ) nano-composite fabricated by pulsed laser deposition (PLD) as a cathode of solid oxide fuel cell (SOFC) is studied. A gradient-structure thin-film cathode composed of 1 micron-thick LSM-YSZ deposited at an ambient pressure ($P_{amb}$) of 200 mTorr; 2 micron-thick LSM-YSZ deposited at a $P_{amb}$ of 300 mTorr; and 2 micron-thick lanthanum strontium cobaltite (LSC) current collecting layer was fabricated on an anode-supported SOFC with an ~8 micron-thick YSZ electrolyte. In comparison with a 1 micron-thick nano-structure single-phase LSM cathode fabricated by PLD, it was obviously effective to increase triple phase boundaries (TPB) over the whole thickness of the cathode layer by employing the composite and increasing the physical thickness of the cathode. Both polarization and ohmic resistances of the cell were significantly reduced and the power output of the cell was improved by a factor of 1.6.
본 논문에서는 우선 전기화학 유효도 모델에 기반하여 고체산화물 연료전지의 효율적인 2차원 해석모델을 제안하였다. 전기화학 유효도 모델은 연료전지 전극내 전해질 근처의 얇은 활성기능층에서 일어나는 복잡한 반응/전달현상을 고려하여 전극의 전류생산 성능을 정확하게 예측할 수 있는 장점을 가진다. 개발된 2차원 해석모델은 신뢰성을 검증한 후 음극지지 고체산화물 연료전지의 유로 횡방향 전류밀도 및 산소농도 분포를 계산하는데 사용되었으며 이를 통해 다공성 양극에서의 산소고갈 특성을 고찰하였다. 또한 효율적이면서도 정확한 계산을 위한 유로 횡방향 최소 필요격자수에 대한 수치해석 연구도 진행하였다.
Electrorefining is a key step in pyroprocessing. The electrorefining process is generally composed of two recovery steps - the deposit of uranium onto a solid cathode and the recovery of the remaining uranium and TRU elements simultaneously by a liquid cadmium cathode. The solid cathode processing is necessary to separate the salt from the cathode since the uranium deposit in a solid cathode contains electrolyte salt. Distillation process was employed for the cathode processing. It is very important to increase the throughput of the salt separation system due to the high uranium content of spent nuclear fuel and high salt fraction of uranium dendrites. In this study, a mesh-covered crucible was investigated for the sat distillation of electrorefiner uranium deposits. A liquid salt separation step and a vacuum distillation step were combined for salt separation. The adhered salt in uranium deposits was efficiently removed in the mesh-covered crucible. The salt distiller was operated simply since repeated cooling - heating step was not necessary for the change of the crucible. The operation time could be reduced by the use of the mesh-covered crucible and the combined operation of the two steps. A method to preserve a vacuum level was proposed by double O-rings during the operation of the distiller with the mesh-covered crucible. After the salt distillation, the salt content was measured and was below 0.1wt% after the salt distillation. The residual salt after the salt distillation can be removed further during melting of uranium metal.
Surface coating of cathodes is an essential process for all-solid-state batteries (ASSBs) based on sulfide electrolytes as it efficiently suppresses interfacial reactions between oxide cathodes and sulfide electrolytes. Based on computational calculations, Li3PO4 has been suggested as a promising coating material because of its higher stability with sulfides and its optimal ionic conductivity. However, it has hardly been applied to the coating of ASSBs due to the absence of a suitable coating process, including the selection of source material that is compatible with ASSBs. In this study, polyphosphoric acid (PPA) and (NH4)2HPO4 were used as source materials for preparing a Li3PO4 coating for ASSBs, and the properties of the coating layer and coated cathodes were compared. The Li3PO4 layer fabricated using the (NH4)2HPO4 source was rough and inhomogeneous, which is not suitable for the protection of the cathodes. Moreover, the water-based coating solution with the (NH4)2HPO4 source can deteriorate the electrochemical performance of high-Ni cathodes that are vulnerable to water. In contrast, when an alcohol-based solvent was used, the PPA source enabled the formation of a thin and homogeneous coating layer on the cathode surface. As a consequence, the ASSBs containing the Li3PO4-coated cathode prepared by the PPA source exhibited significantly enhanced discharge and rate capabilities compared to ASSBs containing a pristine cathode or Li3PO4-coated cathode prepared by the (NH4)2HPO4 source.
Dye-sensitized solar cells (DSSCs) have generated a strong interest in the development of solid-state devices owing to their low cost and simple preparation procedures. Effort has been devoted to the study of electrolytes that allow light-to-electrical power conversion for DSSC applications. Several attempts have been made to substitute the liquid electrolyte in the original solar cells by using (2,2',7,7'-tetrakis (N,N-di-p-methoxyphenylamine)-9-9'-spirobi-fluorene (spiro-OMeTAD) that act as hole conductor [1]. Although efficiencies above 3% have been reached by several groups, here the major challenging is limited photoelectrode thickness ($2{\mu}m$), which is very low due to electron diffusion length (Ln) for spiro-OMeTAD ($4.4{\mu}m$) [2]. In principle, the $TiO_2$ layer can be thicker than had been thought previously. This has important implications for the design of high-efficiency solid-state DSSCs. In the present study, we have fabricated 3-D Transparent Conducting Oxide (TCO) by growing tin-doped indium oxide (ITO) nanowire (NWs) arrays via a vapor transport method [3] and mesoporous $TiO_2$ nanoparticle (NP)-based photoelectrodes were prepared using doctor blade method. Finally optimized light-harvesting solid-state DSSCs is made using 3-D TCO where electron life time is controlled the recombination rate through fast charge collection and also ITO NWs length can be controlled in the range of over $2{\mu}m$ and has been characterized using field emission scanning electron microscopy (FE-SEM). Structural analyses by high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) and X-Ray diffraction (XRD) results reveal that the ITO NWs formed single crystal oriented [100] direction. Also to compare the charge collection properties of conventional NPs based solid-state DSSCs with ITO NWs based solid-state DSSCs, we have studied intensity modulated photovoltage spectroscopy (IMVS), intensity modulated photocurrent spectroscopy (IMPS) and transient open circuit voltages. As a result, above $4{\mu}m$ thick ITO NWs based photoelectrodes with Z907 dye shown the best performing device, exhibiting a short-circuit current density of 7.21 mA cm-2 under simulated solar emission of 100 mW cm-2 associated with an overall power conversion efficiency of 2.80 %. Finally, we achieved the efficiency of 7.5% by applying a CH3NH3PbI3 perovskite sensitizer.
상용 리튬이온전지의 에너지밀도 한계와 안전성 이슈로 불연성 전고체전지 개발이 현안이 되고 있다. 특히, 전기자동차를 위한 차세대 이차전지에 황화물 고체전해질의 적용 가능성이 높아지면서, 고체전해질의 대량생산과 저가격화를 위한 노력 또한 활발해 진행되고 있다. 황화물 고체전해질에 관한 현재까지의 대부분의 연구에서는 조성 및 불순물 제어가 용이하고 균질화와 열처리 시간을 줄일 수 있는 고에너지 기계적 밀링법을 이용하여 열역학적으로 안정한 상 및 준-안정한 상에 대한 탐색을 수행해 왔다. 이를 통해 액체 전해질의 리튬이온전도도를 능가하는 다양한 황화물 고체전해질이 보고되어, 고에너지밀도 고안전성 전고체전지 구현에 대한 기대가 커지고 있다. 그러나, 고에너지 기계적 밀링법은 대량생산에 따른 동일 물성 획득이 쉽지 않고, 입도나 형상 제어가 용이하지 않으며, 분쇄-분급 과정에서 물성의 열화가 발생하는 단점이 알려져 있다. 이에 비해 대량생산과 저가격화에 유리한 습식 합성기술은 아직 다양한 고체전해질 제조에 응용되지는 못하고 있다. 습식 합성기술에서는 입자형, 용액형, 또는 혼합형으로 전구체를 합성하고 용매를 제거한 후 열처리하는 공정을 통해 제조하고 있으나, 전구체의 형성 메커니즘에 대한 명확한 규명도 아직 이루어지지 않고 있다. 본 총설에서는 용매 내 원료들의 반응 메커니즘을 중심으로 한 황화물 고체전해질의 습식 합성기술 동향을 살펴보고자 한다.
In this paper an integrated model of PV-AF (Photovoltaic-Active Filter) and PV-SPE (Photovoltaic Solid Polymer Electrolyte) system using PSCAD/EMTDC were explained in detail. The main concept of PV-AF system starts from the "harmonics". In order to deliver power to utility, PV system essentially needs a converter system. Here PV-AF system adds the function of active filter to the converter system installed in PV system, which was introduced already in several papers. PV-SPE system has been studied as a replacement of existing hydrogen production technology that emits large amount of carbon dioxide into atmosphere. Until now, these two systems, PV-AF and PV-SPE, have been considered separately. However, in this paper, characteristics and advantages of combined system are discussed in detail.
The grain boundary effect on the ionic conductivity was investigated using a.c. admittance analysis in (Bi2O3)0.715(CaO)0.285 oxygen-ion conducting solid electrolyte. As a separated arc representing grain boundary polarization was not observed in the admittance plane, bulk conductivity was measrued for samples with various grain sizes in the temperature range from 48$0^{\circ}C$ to 72$0^{\circ}C$ and the conductivity distribution between grain interior and grain boundary was determined by the reported analytical methods. In the above temperature range, grain boundary worked as a high conductive path instead of blocking layer and ionic conduction through grain boundary was significant. The activation energy for conduction through grain and grain boundary was 78 and 106 kJ/mol, respectively.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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