Caratterizzazione elettrochimica di elettrodi a struttura perovskitica per celle a ossidi solidi.

Abstract

Negli ultimi anni, l’attenzione verso soluzioni energetiche più sostenibili è cresciuta. In questo scenario, le celle a ossidi solidi reversibili (rSOC) rappresentano una tecnologia promettente per la produzione e per l’accumulo di energia, grazie alla loro versatilità operativa. Questi dispositivi sono in grado di funzionare sia in modalità fuel cell (SOFC), sia in modalità elettrolisi (SOEC). Tuttavia, il pieno sviluppo industriale e commerciale di questa tecnologia richiede ancora di superare alcune sfide scientifiche e tecnologiche. Questa tesi ha analizzato due tipologie di celle a ossidi solidi, valutando le prestazioni elettrodiche attraverso caratterizzazioni elettrochimiche in funzione di temperatura, atmosfera e potenziale elettrico. La caratterizzazione è stata effettuata utilizzando la spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) che ha permesso di valutare la resistenza elettrica della cella. Inoltre, sui campioni sono state effettuate delle analisi mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) che ha fornito informazioni sulla morfologia superficiale degli elettrodi e sulla loro composizione elementare tramite spettroscopia a dispersione di energia (EDS). La prima cella analizzata è una cella simmetrica, con entrambi gli elettrodi composti da un ossido a struttura perovskitica con stechiometria Sr₀.₉Ce₀.₁Fe₀.₉Al₀.₁O₃-δ (SCFA10), depositati su entrambi i lati di un elettrolita in ossido di cerio drogato con gadolinio al 10% Ce₀.₉Gd₀.₁O₂-δ (GDC10). La seconda è una cella completa, in cui l’elettrodo aria è costituito da un ossido a struttura perovskitica con stechiometria Ba₀.₅Sr₀.₅(Co₀.₈Fe₀.₂)₀.₉Y₀.₁O₃-δ (BSCFY10), mentre l’elettrodo fuel è il medesimo della prima cella; in questo caso l’elettrolita è composto da ceria drogata con samario al 20% Ce₀.₈Sm₀.₂O₂-δ (SDC20). I risultati contribuiscono alla comprensione delle proprietà elettrochimiche dei materiali analizzati, evidenziando il potenziale per l'ottimizzazione delle rSOC.

In recent years, the focus on more sustainable energy solutions has increased. In this scenario, reversible solid oxide cells (rSOC) represent a promising technology for energy production and storage, thanks to their operational versatility. These devices can operate both in fuel cell mode (SOFC) and electrolysis mode (SOEC). However, the full industrial and commercial development of this technology still requires overcoming several scientific and technological challenges. This thesis analyzed two types of solid oxide cells, evaluating their electrode performance through electrochemical characterizations as a function of temperature, atmosphere, and electrical potential. The characterization was carried out using electrochemical impedance spectroscopy (EIS), which allowed for the evaluation of the electrical resistance of the cell. Additionally, the samples were analyzed using scanning electron microscopy (SEM), which provided information on the surface morphology of the electrodes and their elemental composition through energy-dispersive spectroscopy (EDS). The first analyzed cell is a symmetric cell, with both electrodes composed of a perovskite-structured oxide with the stoichiometry Sr₀.₉Ce₀.₁Fe₀.₉Al₀.₁O₃-δ (SCFA10), deposited on both sides of a 10% gadolinium-doped ceria electrolyte Ce₀.₉Gd₀.₁O₂-δ (GDC10). The second is a complete cell, in which the air electrode consists of a perovskite-structured oxide with the stoichiometry Ba₀.₅Sr₀.₅(Co₀.₈Fe₀.₂)₀.₉Y₀.₁O₃-δ (BSCFY10), while the fuel electrode is the same as in the first cell; in this case, the electrolyte is composed of 20% samarium-doped ceria Ce₀.₈Sm₀.₂O₂-δ (SDC20). The results contribute to the understanding of the electrochemical properties of the analyzed materials, highlighting their potential for the optimization of rSOC technology.