雙摻雜CeO2和LaGaO3電解質的制備及性能研究.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，被認為是二十一世紀的綠色能源。傳統(tǒng)的以氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯（8YSZ）做電解質的SOFC需要高溫工作，由于高溫而帶來的電極-電解質界面反應、陽極燒結，金屬連接材料的腐蝕等問題的存在限制了SOFC的實際應用。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率的固體電解質材料；另外的

2、辦法是YSZ電解質的薄膜化。本文主要集中于中溫固體電解質材料的研發(fā)，對稀土氧化物雙摻雜的CeO2基電解質進行了系統(tǒng)的研究；并對Sr、Mg雙摻雜的LaGaO3基電解質與新型陰極材料的化學相容性問題進行研究，以進一步提高中溫固體氧化物燃料電池的各項性能指標。
　　目前，對摻雜CeO2基電解質的研究主要集中于摻雜劑的研究上，并且已經從單摻雜體系轉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-xYxO1.9兩個系列的電解質材料，對其進行多種測試和性能研究，考察了稀土元素及摻雜量對CeO2基電解質性能的影響，并進一步對優(yōu)選出的高電導率的電解質材料進行燒結溫度對電解質性能影響的研究。
　　結果發(fā)現(xiàn)，摻雜后的CeO2電解質電導率明顯提高，單摻雜已經大幅度提高了電解質的電導率；對于稀土雙摻雜的Ce0.8La0.2-xYxO1.9系列電解質，在700～850℃之間，當Y摻雜濃度x=0.06和x=0.10

4、時，電解質的電導率達到最高，La、Y雙摻雜在單摻雜的基礎上進一步改善了CeO2基電解質的離子導電性。
　　對于Ce0.8Sm0.2-xYxO1.9系列電解質，在中溫區(qū)間（550～700℃），當Y的摻雜濃度x=0.05和x=0.1時的雙摻雜電解質相對于單摻雜電解質有更高的電導率；并且這兩種電解質在中低溫區(qū)間（250～700℃）均具有較單摻雜電解質更低的活化能。在相同工作溫度下，這兩種電解質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都比單摻雜的電解質有更好的導電性能，表明CeO2基電解質的離子導電性可以通過Sm、Y雙摻雜在單摻雜基礎上可以進一步提高。該雙摻雜系列CeO2基電解質單電池的性能指標為同條件下的YSZ電解質電池的幾倍。
　　燒結溫度對電解質導電性能有很大的影響，經過800℃預燒，1300、1400℃燒結的Ce0.8Sm0.1Y0.1O1.9電解質電性能對比其他條件處理后的電解質，有更高的總電導率和

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

7、GM1020）電解質材料，并對該電解質為支撐體的多種陰極材料的單電池性能和化學相容性等問題進行研究。研究發(fā)現(xiàn)，LSGM1020電解質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，單電池的性能指標有望通過改進厚膜工藝進一步提高。Ba0.5Sr0.5Co0.6Fe0.4O3-δ和Sm0.5Sr0.5CoO3兩種陰極材料均與LSGM1020發(fā)生反應生成了雜相物質，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電解質間導電過程不受影響，陰極和電解質間的界面電阻小，從而以該材料為陰極的單電池性能最佳。
　　從