雙摻雜CeO2和LaGaO3電解質(zhì)的制備及性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池（SOFCs，SolidOxideFuelCells）是一種高效率、低污染的新型能源裝置，被認(rèn)為是二十一世紀(jì)的綠色能源。傳統(tǒng)的以氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯（8YSZ）做電解質(zhì)的SOFC需要高溫工作，由于高溫而帶來的電極-電解質(zhì)界面反應(yīng)、陽極燒結(jié)，金屬連接材料的腐蝕等問題的存在限制了SOFC的實(shí)際應(yīng)用。目前，SOFC的研制正向中溫化發(fā)展，降低SOFC的工作溫度主要有兩種途徑，一是開發(fā)在中溫具有高離子電導(dǎo)率的固體電解質(zhì)材料；另外的

2、辦法是YSZ電解質(zhì)的薄膜化。本文主要集中于中溫固體電解質(zhì)材料的研發(fā)，對(duì)稀土氧化物雙摻雜的CeO2基電解質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究；并對(duì)Sr、Mg雙摻雜的LaGaO3基電解質(zhì)與新型陰極材料的化學(xué)相容性問題進(jìn)行研究，以進(jìn)一步提高中溫固體氧化物燃料電池的各項(xiàng)性能指標(biāo)。
　　目前，對(duì)摻雜CeO2基電解質(zhì)的研究主要集中于摻雜劑的研究上，并且已經(jīng)從單摻雜體系轉(zhuǎn)移到了雙摻雜體系的研究。本文采用硝酸鹽-檸檬酸法成功制備了Ce0.8La0.2-xYxO1.

3、9和Ce0.8Sm0.2-xYxO1.9兩個(gè)系列的電解質(zhì)材料，對(duì)其進(jìn)行多種測(cè)試和性能研究，考察了稀土元素及摻雜量對(duì)CeO2基電解質(zhì)性能的影響，并進(jìn)一步對(duì)優(yōu)選出的高電導(dǎo)率的電解質(zhì)材料進(jìn)行燒結(jié)溫度對(duì)電解質(zhì)性能影響的研究。
　　結(jié)果發(fā)現(xiàn)，摻雜后的CeO2電解質(zhì)電導(dǎo)率明顯提高，單摻雜已經(jīng)大幅度提高了電解質(zhì)的電導(dǎo)率；對(duì)于稀土雙摻雜的Ce0.8La0.2-xYxO1.9系列電解質(zhì)，在700～850℃之間，當(dāng)Y摻雜濃度x=0.06和x=0.10

4、時(shí)，電解質(zhì)的電導(dǎo)率達(dá)到最高，La、Y雙摻雜在單摻雜的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善了CeO2基電解質(zhì)的離子導(dǎo)電性。
　　對(duì)于Ce0.8Sm0.2-xYxO1.9系列電解質(zhì)，在中溫區(qū)間（550～700℃），當(dāng)Y的摻雜濃度x=0.05和x=0.1時(shí)的雙摻雜電解質(zhì)相對(duì)于單摻雜電解質(zhì)有更高的電導(dǎo)率；并且這兩種電解質(zhì)在中低溫區(qū)間（250～700℃）均具有較單摻雜電解質(zhì)更低的活化能。在相同工作溫度下，這兩種電解質(zhì)的單電池最大功率密度和最大短路電流密度都比其

5、他電池高，在相同空位濃度的情況下，這兩種雙摻雜電解質(zhì)都比單摻雜的電解質(zhì)有更好的導(dǎo)電性能，表明CeO2基電解質(zhì)的離子導(dǎo)電性可以通過Sm、Y雙摻雜在單摻雜基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步提高。該雙摻雜系列CeO2基電解質(zhì)單電池的性能指標(biāo)為同條件下的YSZ電解質(zhì)電池的幾倍。
　　燒結(jié)溫度對(duì)電解質(zhì)導(dǎo)電性能有很大的影響，經(jīng)過800℃預(yù)燒，1300、1400℃燒結(jié)的Ce0.8Sm0.1Y0.1O1.9電解質(zhì)電性能對(duì)比其他條件處理后的電解質(zhì)，有更高的總電導(dǎo)率和

6、晶粒、晶界電導(dǎo)率以及更低的活化能，表現(xiàn)出更好的電性能。這是因?yàn)?300℃和1400℃燒結(jié)的電解質(zhì)片比較致密的，各組成元素在電解質(zhì)中分布更為均勻，而1500℃和1600℃燒結(jié)后的電解質(zhì)片，因高溫處理造成了電解質(zhì)的過燒結(jié)，同時(shí)造成了Y元素在電解質(zhì)中的偏析，導(dǎo)致1500、1600℃燒結(jié)后電解質(zhì)的電性能比1300、1400℃燒結(jié)后的電解質(zhì)的電性能要弱很多。
　　本文還成功制備了純相的La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85（LS

7、GM1020）電解質(zhì)材料，并對(duì)該電解質(zhì)為支撐體的多種陰極材料的單電池性能和化學(xué)相容性等問題進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，LSGM1020電解質(zhì)為支撐體的單電池的輸出功率密度和短路電流密度都較大；尤其以La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3-δ材料為陰極的單電池表現(xiàn)出較好的性能：以La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3-δ為陰極、以500μm厚LSGM1020為電解質(zhì)的單電池的最大輸出功率超過500mW/cm2，最大短路電流密度超過1.

8、5A/cm2，單電池的性能指標(biāo)有望通過改進(jìn)厚膜工藝進(jìn)一步提高。Ba0.5Sr0.5Co0.6Fe0.4O3-δ和Sm0.5Sr0.5CoO3兩種陰極材料均與LSGM1020發(fā)生反應(yīng)生成了雜相物質(zhì)，而La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3-δ未與其生成雜相，因此La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3-δ陰極與LSGM1020電解質(zhì)間導(dǎo)電過程不受影響，陰極和電解質(zhì)間的界面電阻小，從而以該材料為陰極的單電池性能最佳。
　　從