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固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种能量转换效率高、环境污染少的新型能源技术。近年来,工作温度在600-800°C的中温固体氧化物燃料电池（IT-SOFC）逐渐受到人们的关注。相对于传统SOFC,更低的工作温度,使得IT-SOFC在电池材料的选择范围、电池工作的稳定性以及电池制造成本等方面具有明显的优势。由于传统的SOFC阴极材料不适宜在中温范围（600-800°C）内工作,因此开发新型IT-SOFC阴极材料对于促进SOFC技术的发展,具有非常重要的意义。本文以备受关注的AA’B2O5+δ双钙钛矿阴极材料LnBa Co2O5+δ（Ln BCO）为基础,通过不同的掺杂策略,对其电导率、热膨胀以及电化学催化性能进行优化,以期开发出性能更加优异的IT-SOFC阴极材料。我们用固相法合成了A位Ca2+掺杂的Pr1-xCaxBa Co2O5+δ（x=0.10-0.40;PCBCO）阴极材料。发现PCBCO（x=0.10,0.20）样品形成了单相的四方结构双钙钛矿氧化物;而PCBCO（x=0.30,0.40）样品则有不同程度的杂质出现。PCBCO阴极与SDC电解质在950°C煅烧10 h的条件下呈现出良好的化学兼容性。在Ca2+部分替代Pr3+的PCBCO样品中,由于Pr3+位离子平均氧化态降低,导致样品氧含量随Ca的掺杂而降低。随着Ca掺杂量的增加,样品中更多的Co3+被稳定在中自旋态,致使PCBCO样品的热膨胀系数（TEC）呈下降趋势。在100-800°C温度范围内x=0.10-0.30样品的平均TEC值分别为22.2×10-6、20.0×10-6和19.1×10-6 K-1,均小于未掺杂的Pr BCO阴极材料在同样温度范围内的TEC。在PCBCO中引入SDC电解质材料可以进一步降低材料的TEC。PCBCO（x=0.10）-SDCy（y=40 wt.%）复合阴极在100-800°C温度范围内的平均TEC值下降到17.4×10-6 K-1。PCBCO（x=0.10-0.30）样品在300-850°C温度范围内具有金属性导电行为,电导率大于300 S cm-1,比Pr BCO的电导率有所降低。这归因于PCBCO中较低的氧含量导致载流子(Co4+)浓度降低。PCBCO（x=0.10）-SDC复合阴极的电导率随SDC含量增加逐渐下降,但在300-850°C温度范围内电导率仍然大于100 S cm-1。PCBCO（x=0.10-0.30）样品的ASR随Ca掺杂量的增加而增大,700°C时PCBCO阴极在SDC电解质上的ASR分别为0.081、0.082和0.089Ωcm2,高于Pr BCO阴极材料的ASR值。导致PCBCO（x=0.10-0.30）阴极ASR增大的主要原因是:Ca的掺杂在样品中引入了过量的氧空位,导致缺陷聚集,氧离子传导性能下降。SDC的引入有助于改善阴极材料的电化学性能,最佳比例的PCBCO（x=0.10-0.30）-SDCy（y=20 wt.%）复合阴极在700°C时的ASR值分别为0.060、0.071和0.074Ωcm2。单电池输出性能研究表明,800°C时,以PCBCO（x=0.10-0.30）为阴极的单电池,最大功率密度分别为646.5、636.8和620.6 m W cm-2;以PCBCO（x=0.10-0.30）-SDCy（y=20 wt.%）复合材料为阴极的单电池输出性能进一步改善,800°C时最大功率密度分别达到了684.7、660.2和644.3 m W cm-2。上述研究结果表明,Ca2+在A位掺杂可降低PCBCO材料的热膨胀系数,同时也降低了稀土材料的成本;PCBCO（x=0.10-0.30）阴极和PCBCO（x=0.10-0.30）-SDCy（y=20 wt.%）复合阴极均表现出良好的电化学性能,是很有发展前途的潜在IT-SOFC阴极材料。A位Ca2+掺杂的PCBCO阴极材料在热膨胀性能方面得到了一定程度的改善,但电化学性能却随着Ca的引入而有所下降。为了提高Pr BCO的电化学性能,我们用固相法合成了A’位Ca掺杂的PrBa1-xCaxCo2O5+δ（x=0.05-0.15,PBCCO）阴极材料。发现PBCCO样品为具有四方结构的双钙钛矿型氧化物,与SDC电解质在950°C煅烧10 h的条件下具有良好的化学兼容性。随着Ca的掺杂,具有自旋态转变特性的Co3+离子所占比例减少,使得PBCCO样品从x=0.05到0.15,TEC呈下降趋势,在100-800°C温度范围内,样品的平均TEC值分别为22.6×10-6、21.6×10-6和20.9×10-6 K-1,相比于未掺杂的Pr BCO,TEC有所下降。在300-850°C温度范围内,PBCCO样品具有金属性导电行为,电导率大于620 S cm-1。从x=0.05到0.15,PBCCO样品中载流子(Co4+)浓度逐渐升高,使得电导率呈上升趋势。随着Ca的掺杂,PBCCO样品中氧空位逐渐减少,氧离子传导性能下降,导致PBCCO阴极材料在SDC电解质上的ASR呈上升趋势,700°C时PBCCO阴极在SDC电解质上的ASR值分别为0.047、0.050和0.052Ωcm2。相比于未掺杂的Pr BCO,PBCCO的ASR明显降低,这得益于PBCCO系列样品较高的电导率和较低的TEC。单电池输出性能测试表明,800°C时,以PBCCO（x=0.05-0.15）为阴极的单电池,最大功率密度分别为669.7、634.1和577.4 m W cm-2。上述研究结果表明,Ca2+离子在A’位置掺杂,可降低PBCCO材料的热膨胀系数,提高电学和电化学性能;PBCCO（x=0.05-0.15）阴极材料具有优秀的电化学催化性能,是很有应用前景的IT-SOFC阴极材料。Ln BCO基阴极材料由于其所含的Co3+离子随着温度的升高会出现由低自旋态向高自旋态的转变,导致材料具有很高的TEC。通过前面提到的不同掺杂策略可使其热膨胀性能获得一定改善,但仍然无法达到与电解质材料十分匹配的热膨胀系数。为此,我们合成了不含Co元素的Sm Ba Fe Ni O5+δ（SBFN）双钙钛矿阴极材料。研究发现,SBFN为具有四方结构的双钙钛矿氧化物,与SDC电解质在950°C煅烧10 h的条件下化学兼容性良好。SBFN样品在30-900°C温度范围内的平均TEC为14.1×10-6 K-1,远低于含Co的Sm BCO材料。SBFN较低的TEC缘于以Fe和Ni完全取代了Co元素,材料的热膨胀性能不再受Co3+离子自旋态转变的影响。此外,Fe-O键的结合能比Co-O键的结合能更高,也有助于减弱晶格膨胀,因此降低了TEC。在SBFN中引入SDC电解质材料所构成的复合阴极,其热膨胀匹配性得到了进一步改善。SBFN-SDCx（x=5,10,15 wt.%）复合阴极的TEC分别为13.8×10-6、13.4×10-6和12.0×10-6 K-1。电导率研究表明,SBFN样品在300-425°C温度范围内呈半导体导电特性;而在425-850°C温度范围内呈金属导电特性,在425°C时具有最大电导率,为48 S cm-1。700°C时,SBFN在SDC电解质上的ASR值为0.386Ωcm2。在SBFN中引入SDC电解质可以提高阴极的电化学性能,700°C时SBFN-SDC10阴极的ASR值为0.224Ωcm2,相对于单相的SBFN阴极,极化阻抗降低了42%。800°C时,以SBFN和SBFN-SDC10为阴极的单电池,最大功率密度分别为367.6 m W cm-2和507.8m W cm-2。以上研究结果表明,用Fe和Ni完全置换Co,可明显地降低无钴阴极材料SBFN的热膨胀系数;经过性能优化,SBFN-SDC10复合阴极材料表现出较好的阴极性能,可作为IT-SOFC的候选阴极材料。我们采用三种不同的掺杂策略,研究了降低Co基双钙钛矿阴极材料Ln BCO热膨胀系数的方法,为探寻Ln BCO双钙钛矿阴极材料的改性与优化提供了有益的参考和借鉴。