Análisis de espectroscopía de impedancia compleja en electrolitos para celdas de combustible de óxido sólido

Abstract

En este trabajo se han caracterizado eléctricamente dos conductores iónicos mediante espectroscopía de impedancia compleja en un rango de temperatura, de manera que en futuros proyectos puedan ser propuestos para ser empleados como electrolitos en Celdas de Combustible de Óxido Sólido (SOFC, por sus siglas en inglés). Por un lado, se ha estudiado una cerámica de circona cúbica dopada con itria al 8% mol. (8YCSZ); y por otro lado, un composite que mantiene esta misma matriz cerámica con una segunda fase de un 1% vol. de nananoláminas de óxido de grafeno reducido (8YCSZ 1rGO), con la finalidad de ver su efecto en la respuesta eléctrica. El composite se ha estudiado en dos configuraciones diferentes. Los datos obtenidos mediante espectroscopía de impedancia se han analizado, y se han obtenido: Los valores de conductividad y energía de activación de los procesos de conducción a través de cada región eléctricamente activa a partir de los valores de los elementos de los circuitos equivalentes (resistencia y capacidad). Estos circuitos se han propuesto para modelar los espectros de impedancia representados mediante diagramas de Nyquist. Los tiempos característicos de los procesos de conducción a través de cada una de las regiones eléctricamente activas mediante tres formalismos: • A partir de los circuitos equivalentes que modelan los diagramas de Nyquist. • Mediante diagramas de Bode, de los que se obtienen las frecuencias características. • Mediante el análisis de las distribuciones de tiempos de relajación. Para el análisis de los diagramas de Nyquist y circuitos equivalentes se ha empleado el software comercial ZView, mientras que para obtener las distribuciones de tiempos de relajación se ha utilizado el software de uso libre DRT tools. Para finalizar, se han expuesto las conclusiones de este trabajo.

For this work, two materials that stand out as good ionic conductors have been electrically characterised using complex impedance spectroscopy analysis. The ultimate goal is to propose them for future projects as potential electrolytes in solid oxide fuel cells (SOFCs). On the one hand, a cubic zirconia ceramic doped with 8% mol. yttria (8YCSZ) has been studied. On the other hand, a composite material with the same ceramic matrix and an additional phase of 1% vol. reduced graphene oxide nanosheets (8YCSZ 1rGO) was studied in order to observe the effect of these nanosheets on the electrical response. The composite was studied in two different configurations. The data obtained by impedance spectroscopy were analysed and the following results were obtained: The conductivity values and the activation energy of the conduction processes through each electrically active region were determined from the values of the elements in the equivalent circuits (resistance and capacitance). These circuits were proposed to model the impedance spectra represented by Nyquist plots. The characteristic times of the conduction processes through each electrically active region were determined using three formalisms: • From the equivalent circuits modelling the Nyquist plots. • By analysing the Bode plots to obtain the characteristic frequencies. • By analysing the relaxation time distributions. The commercial software ZView was used for the analysis of the Nyquist plots and the equivalent circuits, while the open source software DRT tools was used to obtain the relaxation time distributions. Finally, the conclusions of this work have been presented.