Festoxidzellen (SOC) sind aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades eine Schlüsseltechnologie für die großtechnische Erzeugung von grünem Wasserstoff. Hinsichtlich der breiten kommerziellen Anwendung der Technologie stellen sich jedoch große Herausforderungen. Diese betreffen vor allem die gleichzeitige Erreichung von Langzeitstabilität und hohen Leistungen, was sich auf die Kosteneffizienz auswirkt. Die Schlüsselkomponente der Technologie, die beide Eigenschaften miteinander verbindet, ist die Luftelektrode. Hochleistungsmaterialien leiden oft unter chemischer Instabilität und reagieren leicht mit Verunreinigungen im Luftstrom oder anderen Zellkomponenten. Außerdem gibt es morphologische Probleme, insbesondere im Elektrolysebetrieb, bei dem die Luftelektrodenschicht aufgrund erhöhter Sauerstoffpartialdrücke an der Grenzfläche delaminiert. Die Suche nach stabileren Elektroden, die eine rasche Sauerstoffaustauschkinetik und eine hohe elektronische Leitfähigkeit aufweisen, bleibt eine der wichtigsten Prioritäten auf dem Weg zur Industrialisierung der Technologie.
In dieser Arbeit werden hochentropiestabilisierte Perowskite (HEP) als Luftelektrodenmaterialien für SOC untersucht, wobei der Forschungsschwerpunkt auf dem Elektrolysemodus (SOEC) zur Wasserstofferzeugung liegt. Gleichzeitig wird der Ansatz verfolgt Kobalt, welches als kritischer und kostenintensiver Rohstoff gilt durch Eisen zu ersetzen. Dabei sollen hohe Leistungsdichten erhalten bleiben und die chemische Stabilität verbessert werden. Synthetisierte neue Materialien werden mittels Röntgenpulver-diffraktometrie und Rietveld-Verfeinerung hinsichtlich ihrer Phasenreinheit untersucht. Die weitere Charakterisierung umfasst die Sauerstoffaustauschkinetik, welche zusammen mit der elektronischen Leitfähigkeit mittels 4-Punkt-Gleichstromleitfähigkeits-(Relaxations-)Experimenten bestimmt wird. Zelltests dienen zur Bestimmung der elektrochemischen Leistung über Stromdichte-Spannungs-Kennlinien und elektrochemischer Impedanzspektro-skopie. Die Ergebnisse werden mit Morphologienalysen mittels Feld¬emissions-Raster-elektronenmikroskop (FESEM) und energiedispersiver Röntgenspektro¬skopie (EDX) zur Analyse der Elementverteilung korreliert. Um die Stabilität der Luftelektrode unter anwendungsrelevanten Bedingungen zu beurteilen, werden Langzeittests mit 5x5 cm² Zellen durchgeführt.
Die Ergebnisse der Arbeit bestätigen die Langzeitstabilität von HEP als Luftelektroden im Elektrolysebetrieb und ihr Potenzial, den Stand der Technik zu übertreffen. Es wird gezeigt, dass hohe Leistungsdichten mit Vollzellen mit La0.2Pr0.2Nd0.2Sm0.2Sr0.2CoO3-δ (LPNSSC) und La0.2Pr0.2Nd0.2Sm0.2Sr0.2FeO3-δ (LPNSSF) Luftelektroden für mehrere hundert Stunden aufrechterhalten werden können. LPNSSF zeigt nach einer Einlaufphase eine kontinuierliche Degradation von 0,8% 1.000 h-1, während LPNSSC eine weitgehend konstante Zellspannung aufweist. Im Vergleich zum Standardmaterial La0.6Sr0.4CoO3−δ, zeigt LPNSSC bei gleichen Testbedingungen eine geringere Tendenz zur Bildung von Sekundärphasen, keine Delamination und höhere Stromdichten.
Trends in der Sauerstoffaustauschkinetik und der elektronischen Leitfähigkeit werden im Hinblick auf den Einfluss von Temperatur, Sauerstoffpartialdruck und Kobalt-Eisen-Substitution diskutiert. Diese grundlegenden Erkenntnisse werden genutzt, um die Elektrodenleistung von LPNSSF durch einen innovativen Ansatz über die Verwendung von Kompositen bzw. Stromsammlerschichten zu verbessern. Die Ergebnisse dieser Arbeit unterstreichen das Potenzial von HEP als Luftelektrodenmaterialien für SOC und sind ein Anreiz für weitere Forschungsarbeiten zu dieser Materialklasse, um die Produktion von grünem Wasserstoff voranzutreiben.