Functionalization of Air Electrodes by Thin-Film Technologies in Solid Oxide Cells

Resumen

Las Celdas de Óxido Sólido (SOC, por sus siglas en inglés) están emergiendo como una tecnología clave en la transición hacia un sistema energético sostenible basado en fuentes renovables e hidrógeno verde. Su alta eficiencia tanto en la generación de electricidad como en la producción de hidrógeno las hace ideales para aplicaciones energéticas reversibles. Sin embargo, su despliegue a gran escala sigue limitado por procesos activados térmicamente que requieren altas temperaturas de operación, lo cual plantea desafíos para su integración en aplicaciones reales. Estas condiciones a menudo provocan degradación térmica, afectando el rendimiento y la durabilidad a largo plazo de las SOC. Por tanto, existe un creciente interés en el desarrollo de nuevos materiales que permitan mayor actividad electroquímica a temperaturas más bajas y estabilidad en el tiempo. En este contexto, los recubrimientos delgados (thin films) han demostrado un rendimiento mejorado en SOCs, con notable reducción en el uso de materias primas críticas, comúnmente empleadas en el sector energético, como las SOCs, baterías de ion-litio y fotovoltaica. Esta tesis se centra en el estudio de películas funcionales delgadas desarrolladas mediante diferentes tecnologías y aplicadas en el electrodo de aire, incluyendo capas barrera y electrodos activos nanoestructurados. El trabajo se ha dividido en tres partes: 1) estudio de capas barrera de Ce₀. ₈Gd₀. ₂O₂ (GDC) mediante magnetron sputtering, 2) desarrollo de un nanocompuesto autogenerado con composición nominal La₀. ₆Sr₀. ₄CoO₃ - Ce₀. ₈Sm₀. ₂O₂ (LSC-SDC) mediante deposición láser pulsada (PLD) como electrodo de oxígeno activo con mayor actividad y durabilidad y 3) implementación de películas delgadas nanocompuestas en dispositivos SOC de gran área. La primera parte presenta un trabajo sistemático sobre capas barrera ultrafinas de GDC (200 nm) fabricadas mediante sputtering y tratadas con procesamiento térmico rápido (RTP), como método alternativo para una fabricación de SOCs más rápida y eficiente. Se encontró que las películas delgadas de GDC optimizadas por sputtering superaron en rendimiento a las capas porosas de GDC impresas en pantalla (SoA), mostrando rendimiento notable tanto en modo pila de combustible y electrólisis. Además, el RTP demostró ser un tratamiento post-templado eficiente. Finalmente, se amplió con éxito el proceso de capas barrera en SOCs de gran área, y se probaron en un short-stack con electrodos y colectores de corriente convencionales (SoA). La segunda parte introduce películas delgadas nanocompuestas autoensambladas de LSC-SDC producidas por PLD, presentando un estudio detallado del material mediante técnicas avanzadas de caracterización. LSC-SDC mostró notable actividad electroquímica bajo polarización anódica, lo que lo hace adecuado para funcionamiento reversible en SOCs, junto con alta estabilidad térmica. Finalmente, la tercera parte describe la implementación del nanocompuesto LSC-SDC en SOCs de gran área, incluyendo el proceso de optimización para transferir el electrodo compuesto desde sustratos modelo a soportes tecnológicamente relevantes, es decir, semiceldas soportadas en Ni-YSZ. Se demostró su rendimiento tanto en modo pila de combustible (SOFC) como en modo electrólisis (SOEC) como electrodo activo autónomo, con pruebas de durabilidad realizadas en ambos modos de operación, y su escalado mediante PLD. LSC-SDC fue finalmente probado en un short-stack junto con otras celdas compuestas por nanocompuestos de La₀. ₈Sr₀. ₂MnO₃ - Ce₀. ₈Sm₀. ₂O₂ (LSM-SDC) y La₀. ₆Sr₀. ₄Co₀. ₂Fe₀. ₈O₃ - Ce₀. ₈Sm₀. ₂O₂ (LSCF-SDC), previamente estudiados por nuestro grupo en sustratos de pequeña área, demostrando que los nanocompuestos autogenerados pueden representar una alternativa importante a los electrodos porosos convencionales, permitiendo una reducción de hasta el 99% en el uso de materias primas críticas. Esta tesis proporciona un estudio exhaustivo sobre el desarrollo e integración de películas delgadas de alto rendimiento para aplicaciones SOC, con énfasis en la mejora de reversibilidad, durabilidad y escalabilidad. La implementación exitosa de capas barrera avanzadas y electrodos nanoestructurados en celdas de gran área resalta su potencial para aplicación industrial.

Fecha de lectura	25 sept 2025
Idioma original	Inglés
Supervisor	Lucile Bernadet (Director/a), Alberto Tarancon Rubio (Director/a) & Federico Baiutti (Director/a)