王 玲,曾燕伟,蔡铜祥

(南京工业大学材料科学与工程学院,江苏南京 210009)

传统固体氧化物燃料电池(SOFC)的工作温度一般高达1 000℃,过高的工作温度对SOFC其他部件的热力学稳定性、化学稳定性及材料之间的匹配性要求很高,也会加速电池的老化,提高制备成本。中低温化是近年来SOFC发展的趋势,提高中低温条件下电解质的离子电导尤为关键。

根据SOFC的工作原理,电解质材料应具备这几个特征:①在氧化和还原性气氛下的稳定性好;②离子电导率高,电子电导率低;③烧结性能优良;④与电极材料的兼容性好;⑤制备流程简单,成本较低。本文作者总结了目前研究较多的萤石型、钙钛矿型和磷灰石型等3类SOFC电解质材料的结构、导电机理、性能特点及研究情况。

1 萤石型电解质

萤石结构是典型的、具有O2-导电性的晶体结构,阳离子位于O2-构成的简单立方点阵的中心,结构中含有大量的八面体空位,使O2-的快速输运成为可能。当萤石结构中的阳离子被较低价态离子取代时,会产生大量的O2-空位,有利于O2-的传输,进而提高O2-的电导率。萤石型电解质主要包括ZrO2基、CeO2基及Bi2O3基等 3类。

1.1 ZrO2基电解质

室温下纯相的ZrO2属于单斜晶系,离子电导率很低,不能作为SOFC的电解质。采用低价金属氧化物进行掺杂,可使离子电导率较高的立方相和四方相在低温下稳定存在,结构中同时会产生大量的O2-空位,以保持电中性。目前,研究较多的掺杂氧化物为Y2O3和Sc2O3。

1.1.1 Y2O3稳定的ZrO2

常温下,ZrO2的相组成与Y2O3掺杂量有关。若Y2O3的物质的量含量为2.5%～3.0%,单斜相转变为四方相(TZP);若物质的量含量为8%～9%,转变为立方相(YSZ)。……