Novel concepts for next generation of Reversible Solid Oxide Cells

Abstract

Les Cèl·lules d'Òxid Sòlid Reversibles (RSOCs, per les seves sigles en anglès) han emergit com una tecnologia prometedora per a la conversió i emmagatzematge d'energia. En els últims anys, s'han emprat diverses estratègies per millorar el rendiment de les cèl·lules, incloent l'optimització de les arquitectures de les cèl·lules, els processos de fabricació i l'activitat catalítica dels elèctrodes compostos. Una estratègia comuna per millorar el rendiment dels elèctrodes és l'ús d'un bastiment ceràmic impregnat amb una fase catalíticament activa, maximitzant el nombre de llocs actius a les fronteres de triple fase (TPB). A més, la investigació sobre la síntesi i exsolució d'òxids de perovskita nanoestructurats ha guanyat atenció, ja que les superfícies decorades amb nanopartícules catalíticament actives juguen un paper crucial en la millora del rendiment i l'estabilitat dels elèctrodes de les cèl·lules d'òxid sòlid (SOC). En aquest context, també s'avalua la manufactura additiva com una tecnologia clau per crear Cèl·lules d'Òxid Sòlid millorades per disseny, permetent la futura incorporació de materials amb més complexitat. Aquest treball explora l'ús de la manufactura additiva en la producció de SOCs i introdueix nanocompostos avançats per a elèctrodes utilitzant tècniques d'infiltració i exsolució. La integració de la manufactura additiva amb tècniques de fabricació de ceràmica porosa ofereix el potencial per optimitzar les microestructures i geometries, proporcionant una alternativa als materials d'elèctrodes convencionals i minimitzant la necessitat de capes barrera de CGO. Els principals objectius d'aquest treball són demostrar l'escalabilitat de les tecnologies d'impressió 3D per a la fabricació a gran escala de RSOCs i fabricar una estructura porosa-densa-porosa (PDP) utilitzant 8YSZ, combinada amb mètodes d'estereolitografia i escriptura directa amb tinta. Aquesta estructura després és funcionalitzada amb La0.8Sr0.2MnO3 (LSAM) dopat amb Ag mitjançant infiltració in situ. Aquesta tesi està organitzada en set capítols. El primer capítol presenta el panorama energètic actual, els fonaments de les cèl·lules d'òxid sòlid reversibles i l'estat de l'art en materials i mètodes. El Capítol II detalla els mètodes experimentals, incloent la fabricació de cèl·lules de gran superfície utilitzant estereolitografia, la formulació de tintes per a escriptura directa, la síntesi d'elèctrodes mitjançant exsolució i infiltració, i el muntatge de dispositius. El Capítol III demostra l'escalabilitat de la impressió 3D per a la producció d'electròlits de 3YSZ de gran superfície per a cèl·lules suportades per electròlits, emfatitzant les millores de rendiment habilitades per la manufactura additiva. El Capítol IV se centra en la fabricació d'electròlits de 8YSZ de gran superfície utilitzant tècniques d'impressió 3D i la seva aplicació en SOCs. El Capítol V explora l'optimització de dispositius SOC a través d'una combinació de manufactura additiva i tècniques de fabricació de ceràmica porosa, destacant la creació d'una estructura PDP funcionalitzada amb LSAM. El Capítol VI presenta la síntesi i caracterització de dopants actius exsolucionats, particularment plata sobre LSAM com a elèctrode d'oxigen, i avalua el seu rendiment a través d'anàlisi electroquímic. El Capítol VII conclou resumint els principals èxits i discutint les direccions futures de recerca.

Las Celdas de Óxidos Sólidos Reversibles (RSOCs, por sus siglas en inglés) han emergido como una tecnología promisoria para la conversión y el almacenamiento de energía. En los últimos años, se han empleado diversas estrategias para mejorar el rendimiento de las celdas, incluyendo la optimización de las arquitecturas, los procesos de fabricación y la actividad catalítica de los electrodos compuestos. Una estrategia común para mejorar el rendimiento de los electrodos es el uso de un andamiaje cerámico impregnado con una fase catalíticamente activa, maximizando el número de sitios activos en las fronteras de triple fase (TPB). Además, la investigación sobre la síntesis y exsolución de óxidos de perovskita nanoestructurados ha ganado atención, ya que las superficies decoradas con nanopartículas catalíticamente activas desempeñan un papel crucial en la mejora del rendimiento y la estabilidad de los electrodos de las celdas de óxidos sólidos (SOC). En este contexto, también se evalúa la manufactura aditiva como una tecnología clave para crear Celdas de Óxidos Sólidos mejoradas por diseño, permitiendo la futura incorporación de materiales con mayor complejidad. Este trabajo explora el uso de la manufactura aditiva en la producción de SOCs e introduce nanocompuestos avanzados para electrodos utilizando técnicas de infiltración y exsolución. La integración de la manufactura aditiva con técnicas de fabricación de cerámica porosa ofrece el potencial para optimizar las microestructuras y geometrías, proporcionando una alternativa a los materiales de electrodos convencionales y minimizando la necesidad de capas de barrera de CGO. Los principales objetivos de este trabajo son demostrar la escalabilidad de las tecnologías de impresión 3D para la fabricación a gran escala de RSOCs y fabricar una estructura porosa-densa-porosa (PDP) utilizando 8YSZ, combinada con métodos de estereolitografía y escritura directa con tinta. Esta estructura luego es funcionalizada con La0.8Sr0.2MnO3 (LSAM) dopado con Ag mediante infiltración in situ. Esta tesis está organizada en siete capítulos. El primer capítulo presenta el panorama energético actual, los fundamentos de las celdas de óxidos sólidos reversibles y el estado del arte en materiales y métodos. El Capítulo II detalla los métodos experimentales, incluyendo la fabricación de celdas de gran superficie utilizando estereolitografía, la formulación de tintas para escritura directa, la síntesis de electrodos mediante exsolución e infiltración, y el ensamblaje de dispositivos. El Capítulo III demuestra la escalabilidad de la impresión 3D para la producción de electrolitos de 3YSZ de gran superficie para celdas soportadas por electrolitos, enfatizando las mejoras de rendimiento habilitadas por la manufactura aditiva. El Capítulo IV se enfoca en la fabricación de electrolitos de 8YSZ de gran superficie utilizando técnicas de impresión 3D y su aplicación en SOCs. El Capítulo V explora la optimización de dispositivos SOC a través de una combinación de manufactura aditiva y técnicas de fabricación de cerámica porosa, destacando la creación de una estructura PDP funcionalizada con LSAM. El Capítulo VI presenta la síntesis y caracterización de dopantes activos exsolucionados, particularmente plata sobre LSAM como electrodo de oxígeno, y evalúa su rendimiento a través de análisis electroquímico. El Capítulo VII concluye resumiendo los principales logros y discutiendo las direcciones futuras de investigación.

Reversible Solid Oxide Cells (RSOCs) have emerged as a promising technology for energy conversion and storage. In recent years, various approaches have been employed to enhance the performance of the cells, including optimizing cell architectures, fabrication processes, and the catalytic activity of composite electrodes. A common strategy to improve electrode performance is the use of a ceramic scaffold impregnated with a catalytically active phase, maximizing the number of active sites at the triple phase boundaries (TPB). Additionally, research on the synthesis and exsolution of nanostructured perovskite oxides has gained attention, as surfaces decorated with catalytically active nanoparticles play a crucial role in improving the performance and stability of SOC electrodes. In this context, additive manufacturing is also evaluated as a key technology for creating enhanced Solid Oxide Cells by design, enabling the future incorporation of materials with greater complexity. This work explores the use of additive manufacturing in producing SOCs and introduces advanced nanocomposites for electrodes using infiltration and exsolution techniques. The integration of additive manufacturing with porous ceramic fabrication techniques offers the potential to optimize microstructures and geometries, providing an alternative to conventional electrode materials and minimizing the need of CGO barrier layers. The primary objectives of this work are to demonstrate the scalability of 3D printing technologies for large-scale RSOC manufacturing and to fabricate a porous-dense-porous (PDP) structure using 8YSZ, combined with stereolithography and Direct Ink Writing methods. This structure is then functionalized with Ag-doped La0.8Sr0.2MnO3 (LSAM) through in-situ infiltration. This thesis is organized into seven chapters. The first chapter presents the current energy landscape, the fundamentals of reversible solid oxide cells, and the state-of-the-art in materials and methods. Chapter II details the experimental methods, including the fabrication of large-area cells using stereolithography, ink formulation for Direct Ink Writing, electrode synthesis via exsolution and infiltration, and device assembly. Chapter III demonstrates the scalability of 3D printing for producing large-area 3YSZ electrolytes for electrolyte-supported cells, emphasizing the performance improvements enabled by additive manufacturing. Chapter IV focuses on the fabrication of large-area 8YSZ electrolytes using 3D printing techniques and their application in SOCs. Chapter V explores the optimization of SOC devices through a combination of additive manufacturing and porous ceramic fabrication techniques, highlighting the creation of a PDP structure functionalized with LSAM. Chapter VI presents the synthesis and characterization of exsolved active dopants, particularly Silver on LSAM as an oxygen electrode, and evaluates their performance through electrochemical analysis. Chapter VII concludes by summarizing the key achievements and discussing future research directions.