固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效低污染的电化学能源转换器件。然而SOFC的商业化还有许多障碍,其中之一是阴极高的极化损失。本论文旨在提高阴极的性能,主要方式包括(1)改善传统的阴极材料；(2)开发新的替代阴极材料；(3)建立理论模型研究决定阴极性能的因素。针对SOFC的传统阴极材料Lal-xSrxMnO3±δ(LSM)氧离子电导率的缺点,加入具有最高氧离子电导率的Bi2O3基氧离子导体(以Y0.5Bi1.5O3(YSB)为例),构成了LSM-YSB复合阴极。并分别在氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)和掺杂氧化铈电解质上,制备不同微结构的复合阴极,即(1)LSM-YSB的机械混合阴极；(2)以多孔LSM为骨架,复合纳米YSB的纳米复合阴极。首先,采用X射线衍射(XRD)分析证明了YSB与LSM之间无明显的化学反应。然后用机械混合一丝网印刷法制备了LSM-YSB复合阴极,并进行了电化学表征。采用电化学阻抗谱测量了以LSM-YSB为电极的对称电池,结果表明LSM-YSB电极的极化电阻(Rp)随着YSB含量的升高而降低,并存在最小值(0.18Ωcm2,700℃)。通过研究Rp与氧分压的关系,表明YSB的加入不改变电极反应机理,但显著提高了LSM阴极的性能。单电池的测试表明,通过微结构优化是进一步提高LSM-YSB复合阴极性能的有效手段。此外,通过离子浸渍法优化LSM-YSB阴极的微结构,这种结构表现为纳米级的YSB粒子覆盖在微米级的多孔LSM粒子表面。700℃时,纳米YSB浸渍的LSM阴极的最低Rp为0.14Ωcm2,仅为纯LSM电极的0.2%。。通过电极阻抗谱与YSB含量关系的研究,表明YSB在LSM粒子上的逐渐覆盖,提高了电极的三相界面(TPB)数量,从而加快了氧的电化学还原反应速率,即在电极表面的解离过程和在TPB处的电荷转移过程。在所有基于LSM的复合阴极中,YSB纳米粒子覆盖的LSM阴极具有最低的Rp,分析平行制备的YSB浸渍和Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)浸渍的LSM电极的阻抗谱,表明YSB相对于其他氧离子导体更能有效提高LSM电极性能,其可能的原因是：其更高的氧离子电导率使TPB能扩展到离电极-电解质更远的地方。使用YSB浸渍的LSM为阴极的单电池在600和700℃的最大输出功率分别可达到300和666 mW cm-2,表明了这种电极具有应用于中温(500-800℃) SOFC的潜力。YSB浸渍的LSM电极Rp还受到电解质的影响,YSB的含量越多,这种影响越小,通过修正阴极反应步骤,理论分析了电解质影响电极Rp的原因。为了从理论上验证复合电极中高的离子电导率是否能使TPB扩展得更远,建立理论模型研究了SOFC电极的有效厚度。此模型考虑了复合电极内部的电化学反应,电子和离子的传递,以及电极的微结构。电极的有效厚度对应于电极性能最优时电极的理论厚度,经过模型计算表明此厚度同时为电荷转移电阻率、有效离子(电子)电阻率以及单位体积内三相线长度的函数。通过与实验数据比较验证了模型的可用性。模拟结果表明电极成分、粒子大小、电极材料的本征电阻率、操作温度、以及电极反应的机理都影响着复合电极的有效厚度。特别是验证了复合电极中的氧离子导体电导率越高,有效厚度越大。证明了Bio.5Sro.5Mn03(BSM)是一种潜在的LSM替代材料。全面考察了BSM与电解质的化学和热匹配性、电子电导率和离子电导率以及电化学性能。XRD分析结果表明BSM与SDC化学匹配。BSM的热膨胀系数也与SDC电解质接近。600-800℃时BSM的总电导率为82-200 S cm-1,满足SOFC对阴极材料电导率的要求,其离子电导率高于用于SOFC的LSM。BSM在700℃极化电阻为0.4Ωcm2,远低于LSM电极在此温度下的极化电阻,使用BSM作为阴极的单电池输出功率也远大于使用LSM阴极的电池。通过微结构优化可以期待BSM电极具有更高的性能,另一方面BSM电极反应机理还需要进一步研究。