Solid oxide fuel cells (SOFCs) are pivotal for sustainable energy systems, offering eco-friendly electricity generation from chemical energy of injected fuels. Commercial viability mandates SOFC operation at intermediate temperatures (450 – 650 °C) for material diversification, cost reduction, and augmented thermal compatibility and longevity. However, this lowered operational temperature concurrently amplifies polarization resistance due to the intrinsic thermal activation of the oxygen reduction reaction. The resultant increase in resistance poses a formidable challenge in the development of electrodes with optimal performance. Additionally, the presence of an oxidizing atmosphere during the annealing process, commonly employed in the fabrication and treatment of conductive perovskite oxides used as oxygen electrode materials, leads to the accumulation of Sr and the formation of Sr-rich clusters on their surfaces, thereby degrading electrode performance.
In this dissertation, I introduce plasma processes as a strategic avenue for developing oxygen electrodes with heightened activity and durability. The first strategy involves room temperature ex-solution achieved via remote plasma treatment. Conventional exsolution necessitates high-temperature reduction heat treatment. This method often lacks control over nanoparticle growth, leading to extended processing times and potential phase disruption in certain materials. To address these drawbacks, I explored room temperature exsolution using H2N2 remote plasma, aiming to mitigate the limitations associated with conventional exsolution methods. SEM analysis confirmed the emergence of nanoparticles on both the thin film and the porous structure subsequent to plasma treatment. Furthermore, XPS analysis identified the precipitated surface nanoparticles as Co. Moreover, an increase in oxygen vacancy was substantiated through XRD following plasma exposure. In summary, this study successfully demonstrated room temperature exsolution on the surface of the LSCF electrode facilitated by remote plasma in a concise 10-minute duration.
The second strategy is surface amorphization through direct plasma treatment. To suppress Sr segregation, an innovative approach leveraging Ar plasma to amorphize porous oxide electrode surfaces is proposed. Investigating the effects of plasma treatment on the morphology, chemical composition, and crystallinity of an LSCF electrode surface reveals substantial changes in its electrochemical properties. Remarkably, a mere 5-minute plasma exposure achieves a 43% reduction in initial LSCF electrode polarization resistance and significantly improves durability at 650 °C, compared to the bare LSCF. This study demonstrates the viability of plasma-driven surface modification in high-temperature processes, and represents the first application of an amorphization strategy to a practical electrode in the field of SOFCs.
This approach presents substantial promise for practical SOFC implementations, signifying a pivotal step toward successful commercialization. Consequently, I am confident that plasma treatment not only holds significant industrial value due to its capability for large-scale production but also stands as an exceptional method with vast potential to address multifaceted challenges in the realm of SOFC technology.
고체산화물 연료전지는 지속 가능한 에너지 시스템의 중추적인 역할을 하며, 주입된 연료의 화학 에너지로부터 친환경적인 전력 생산을 제공합니다. 고체산화물 연료전지의 상용화를 위해서는 구동 온도를 450 – 650°C 수준으로 낮추어야 재료 선택의 범위가 넓어져 시스템 비용을 줄일 수 있고, 열 호환성 및 장기 내구성을 향상시킬 수 있습니다. 하지만 구동 온도를 낮추면 산소 환원 반응의 열 활성화 특성으로 인해 분극 저항이 증가하게 되어 고성능 전극을 개발하는데 주요 장벽이 되고 있습니다. 또한, 공기극 물질로 사용되는 전도성 페로브스카이트 산화물의 제조 및 처리에 일반적으로 사용되는 고온의 산소분위기에서 열처리를 하면 Sr이 축적되고 표면에 Sr이 풍부한 클러스터가 형성되어 전극의 성능 및 안정성의 열화를 초래합니다.
이 논문에서는 고활성 및 고내구성 산소 전극을 개발하기 위한 전략적 방법으로 플라즈마 공정을 소개합니다. 첫 번째 전략은 원격 플라즈마 처리를 통한 상온 용출입니다. 기존의 용출 공정에서는 고온의 환원 열처리가 필수적입니다. 이로 인해 나노입자의 성장을 조절하기 어렵고, 공정 시간이 길며, 물질에 따라서는 상이 깨지는 문제가 발생합니다. 따라서 저는 플라즈마 처리를 통한 상온 용출을 통해 앞에서 말한 기존 용출의 한계를 극복하고자 하였습니다. SEM 분석을 통해 플라즈마 처리 후 박막과 다공성 구조체 모두에서 나노입자가 생성된 것을 관찰했습니다. 또한 XPS 분석을 통해 표면에 석출된 나노입자가 Co임을 확인하였습니다. 또한 플라즈마 노출 후 XRD를 통해 산소 공극의 증가가 입증되었습니다. 결론적으로 단 10분간의 짧은 플라즈마 처리를 통해 상온 용출을 구현하였습니다.
두 번째 전략은 직접 플라즈마 처리를 통한 표면 비정질화입니다. Sr 상분리를 억제하기 위해 Ar 플라즈마를 활용하여 다공성 산화물 전극 표면을 비정질화하는 혁신적인 접근 방식이 제안되었습니다. 플라즈마 처리가 LSCF 전극 표면의 형태, 화학적 조성 및 결정성에 미치는 영향을 조사하였고, 그에 따른 전기화학적 특성 변화를 모니텅링 하였습니다. 놀랍게도, 단 5분의 플라즈마 노출만으로 플라즈마 처리하지 않은 LSCF에 비해 초기 전극 저항이 43% 감소하고 650°C에서 내구성이 크게 향상되었습니다. 이 연구는 고온 공정에서 플라즈마 구동 표면 개질의 실행 가능성을 입증하고 SOFC 분야에서 실제 전극에 대한 비정질화 전략의 첫 번째 적용을 나타냅니다.
이 접근 방식은 실용적인 SOFC 구현에 대한 실질적인 가능성을 제시하며 성공적인 상용화를 향한 중추적인 단계를 의미합니다. 결과적으로, 저는 플라즈마 처리가 대규모 생산 능력으로 인해 상당한 산업적 가치를 가질 뿐만 아니라 SOFC 기술 영역의 다면적인 과제를 해결할 수 있는 엄청난 잠재력을 가진 탁월한 방법이라고 확신합니다.
