The feasibility of using the thin film technology in utilizing lanthanum strontium manganite (LSM) for a solid oxide fuel cell (SOFC) cathode in a low-temperature regime is investigated in this study. Thin film LSM cathodes were fabricated using pulsed laser deposition (PLD) on anode-supported SOFCs with yttria-stabilized zirconia (YSZ) electrolytes. Although cells with a 1 ${\mu}m$-thick LSM cathode showed poor low-temperature cell performance compared to that of a cell with a bulk-processed cathode due to the lack of a triple-phase boundary length, the cell with 200 nm-thick gadolinia-doped ceria (GDC) inserted between the LSM and YSZ showed enhanced performance and more stable operation characteristics in a comparison of a cell without a GDC layer. We postulate that the GDC layer likely improved the cathode adhesion, therefore contributing to the improvement of the cell performance instead of serving as an interfacial reaction buffer.
The Li-rich oxides are promising cathode materials due to their high energy density. However, characteristics such as low rate capability, unstable cyclic performance, and rapid capacity fading during cycling prevent their commercialization. These characteristics are mainly attributed to the phase instability of the host structure and undesirable side reactions at the cathode/electrolyte interface. To suppress the phase transition during cycling and interfacial side reactions with the reactive electrolyte, K (potassium) doping and Nb oxide coating were simultaneously introduced to a Li-rich oxide (Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2). The capacity and rate capability of the Li-rich oxide were significantly enhanced by K doping. Considering the X-ray diffraction (XRD) analysis, the interslab thickness of LiO2 increased and cation mixing decreased due to K doping, which facilitated Li migration during cycling and resulted in enhanced capacity and rate capability. The K-doped Li-rich oxide also exhibited considerably improved cyclic performance, probably because the large K+ ions disturb the migration of the transition metals causing the phase transition and act as a pillar stabilizing the host structure during cycling. The Nb oxide coating also considerably enhanced the capacity and rate capability of the samples, indicating that the undesirable interfacial layer formed from the side reaction was a major resistance factor that reduced the capacity of the cathode. This result confirms that the introduction of K doping and Nb oxide coating is an effective approach to enhance the electrochemical performance of Li-rich oxides.
Organic light emitting diodes (OLED) thin films were fabricated by Electrostatic spray deposition (ESD). In this study, we reported the thickness, morphology, current efficiency, luminescence of OLED fabricated by ESD. These results were compared with the spin coating method, and showed that also ESD is a good fabrication method for OLED because of its characteristics similar with the results using spin coating. The active layer consists of organic blends with Poly(N-vinylcarbazole) (PVK), 2-(4-Biphenyl)-5-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazole (PBD), N,N'-Bis(3-methylphenyl) -N,N'-bis(phenyl)-benzidine (TPD), Tris(2-phenylpyridine)iridium(III) (Ir(ppy)3), and the structure of OLED consists of aluminum (Al), lithium fluoride (LiF), organic blends, PEDOT:PSS and Indium-tin-oxide (ITO), which was used as the top cathode, cathode interfacial layer, emitting layer and bottom anode, respectively. The results suggest that Electrostatic spray deposition is a promising method for the next generation of OLED fabrication since it has a probability fabricating large-area thin films.
Jong kyu Back;Jihyeon Ryu;Yong-Ho Park;Ick-Jun Kim;Sunhye Yang
Journal of Electrochemical Science and Technology
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제14권2호
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pp.184-193
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2023
This study investigates the effects of a carbon fiber layer formed on the surface of an etched aluminum current collector on the electrochemical properties of the activated carbon electrodes for an electric double layer capacitor. A particle size analyzer, field-emission SEM, and nitrogen adsorption/desorption isotherm analyzer are employed to analyze the structure of the carbon fiber layer. The electric and electrochemical properties of the activated carbon electrodes using a carbon fiber layer are evaluated using an electrode resistance meter and a charge-discharge tester, respectively. To uniformly coat the surface with carbon fiber, we applied a planetary mill process, adjusted the particle size, and prepared the carbon paste by dispersing in a binder. Subsequently, the carbon paste was coated on the surface of the etched aluminum current collector to form the carbon under layer, after which an activated carbon slurry was coated to form the electrodes. Based on the results, the interface resistance of the EDLC cell made of the current collector with the carbon fiber layer was reduced compared to the cell using the pristine current collector. The interfacial resistance decreased from 0.0143 Ω·cm2 to a maximum of 0.0077 Ω·cm2. And degradation reactions of the activated carbon electrodes are suppressed in the 3.3 V floating test. We infer that it is because the improved electric network of the carbon fiber layer coated on the current collector surface enhanced the electron collection and interfacial diffusion while protecting the surface of the cathode etched aluminum; thereby suppressing the formation of Al-F compounds.
The optimal fabrication conditions for $Gd_{0.1}Ce_{0.9}O_{2-{\delta}}$(GDC) buffer layer and $La_{0.6}Sr_{0.4}Co_{0.2}Fe_{0.8}O_{3-{\delta}}$ (LSCF) cathode on 1mol% $CeO_2-10mol%\;Sc_2O_3$ stabilized $ZrO_2$ (CeScSZ) electrolyte were investigated for application of IT-SOFCs. GDC buffer layer was used in order to prevent undesired chemical reactions between LSCF and CeScSZ. These experiments were carried out with $5{\times}5cm^2$ anode supported unit cells to investigate the tendencies of electrochemical performance, Microstructure development and interface reaction between LSCF/GDC/CeScSZ along with the variations of GDC buffer layer thickness, sintering temperatures of GDC and LSCF were checked, respectively. Electrochemical performance was analyzed by DC current-voltage measurement and AC impedance spectroscopy. Microstructure and interface reaction were investigated by scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS). Although the interfacial reaction between these materials could not be perfectly inhibited, We found that the cell, in which $6{\mu}m$ GDC interlayer sintered at $1200^{\circ}C$ and LSCF sintered at $1000^{\circ}C$ were applied, showed good interfacial adhesions and effective suppression of Sr, thereby resulting in fairly good performance with power density of $0.71W/cm^2$ at $800^{\circ}C$ and 0.7V.
Kim, Dong-jin;Yoon, Da-ye;Kim, Woo-byoung;Lee, Jae-won
한국분말재료학회지
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제24권2호
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pp.87-95
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2017
Lithium silicate, a lithium-ion conducting ceramic, is coated on a layer-structured lithium nickel manganese oxide ($LiNi_{0.7}Mn_{0.3}O_2$). Residual lithium compounds ($Li_2CO_3$ and LiOH) on the surface of the cathode material and $SiO_2$ derived from tetraethylorthosilicate are used as lithium and silicon sources, respectively. Powder X-ray diffraction and scanning electron microscopy with energy-dispersive spectroscopy analyses show that lithium silicate is coated uniformly on the cathode particles. Charge and discharge tests of the samples show that the coating can enhance the rate capability and cycle life performance. The improvements are attributed to the reduced interfacial resistance originating from suppression of solid-electrolyte interface (SEI) formation and dissolution of Ni and Mn due to the coating. An X-ray photoelectron spectroscopy study of the cycled electrodes shows that nickel oxide and manganese oxide particles are formed on the surface of the electrode and that greater decomposition of the electrolyte occurs for the bare sample, which confirms the assumption that SEI formation and Ni and Mn dissolution can be reduced using the coating process.
Kim, Young-Kuk;Yoo, Jai-Moo;Chung, Kook-Chae;Ko, Jae-Woong
한국초전도ㆍ저온공학회논문지
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제8권4호
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pp.19-21
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2006
Biaxially textured Ni was fabricated by electrodeposition process and delaminated from the biaxially textured cathode surface for further buffer layer deposition process. Those electrode posited Ni substrates showed well-developed biaxial texture and smooth surface. In order to improve the thermal stability of Ni substrates, Mn was alloyed by adding Mn precursor into the electrodeposition bath. Subsequently, $CeO_2$ buffer layers are deposited by MOD process to prevent interfacial reaction between superconductor and substrates. In particular, Bismuth oxide was added to $CeO_2$ to realize lower temperature processing of buffer layers. The microstructure and texture development of each layers have been investigated. Preliminary results shows that all electro/chemical process can be a candidate for cost effective route to YBCO coated conductor.
Park, Jang-Hoon;Cho, Ju-Hyun;Kim, Jong-Su;Shim, Eun-Gi;Lee, Yun-Sung;Lee, Sang-Young
전기화학회지
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제14권2호
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pp.117-124
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2011
We demonstrate a new surface modification of high-voltage lithium cobalt oxide ($LiCoO_2$) cathode active materials for lithium-ion batteries. This approach is based on exploitation of a polarity-tuned gel polymer electrolyte (GPE) coating. Herein, two contrast polymers having different polarity are chosen: polyimide (PI) synthesized from thermally curing 4-component (pyromellitic dianhydride/biphenyl dianhydride/phenylenediamine/oxydianiline) polyamic acid (as a polar GPE) and ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA) containing 12 wt% vinyl acetate repeating unit (as a less polar GPE). The strong affinity of polyamic acid for $LiCoO_2$ allows the resulting PI coating layer to present a highly-continuous surface film of nanometer thickness. On the other hand, the less polar EVA coating layer is poorly deposited onto the $LiCoO_2$, resulting in a locally agglomerated morphology with relatively high thickness. Based on the characterization of GPE coating layers, their structural difference on the electrochemical performance and thermal stability of high-voltage (herein, 4.4 V) $LiCoO_2$ is thoroughly investigated. In comparison to the EVA coating layer, the PI coating layer is effective in preventing the direct exposure of $LiCoO_2$ to liquid electrolyte, which thus plays a viable role in improving the high-voltage cell performance and mitigating the interfacial exothermic reaction between the charged $LiCoO_2$ and liquid electrolytes.
To prevent an interfacial reaction between the anode and the electrolyte layer during the conventional high-temperature co-firing process, an anode-supported type cell with a thin-film electrolyte was fabricated by low-temperature ceramic thick film coating process. Ni-GDC cermet composite was used as the anode material and YSZ was used as the electrolyte material. Open circuit voltage and maximum power density were found to strongly depend on the surface uniformity of the anode functional layer. By optimizing the microstructure of the anode functional layer, the open circuit voltage and maximum powder density of the cell increased to 1.11 V and $1.35W/cm^2$, respectively, at $750^{\circ}C$. When a GDC barrier layer was applied between the YSZ electrolyte and the LSCF cathode, the cell showed good stability, with almost no degradation up to 100 h. Anode-supported type SOFCs with high performance and good stability were fabricated using a coating process.
Recently, eco-friendly sources of energy by fuel cells that use hydrogen as an energy source has emerged as the next generation of energy to solve the problem of environmental issues and exhaustion of energy. A solid oxide fuel cell(SOFC) classified based on the type of ion transfer mediator electrolyte has actively being researched. However, the reliability according to the thermal cycle is low during the operation of the fuel cell, and deformation problem comes from the difference in thermal expansion coefficient between the electrode material, the components made of ceramic material is also brittle, which means disadvantages in terms of the strength. Therefore, in this study, considering the states of the manufacturing and operating of SOFC single cells, the stress analyses in the each of the interfacial layer between the anode, electrolyte and the cathode were performed to get the basic data for reliability assessment of SOFC. The obtained results show that von Mises stress according to the thickness direction on operating state occurred maximum stress value in the electrolyte layer. And also the stresses inside the active area on a distance of 1 ${\mu}m$ from the electrode interface were estimated. Futhermore the evaluation was done for the variation of the stress according to the stage of the operation divided into three stages of manufacturing, stack, and operating.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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