關于SOFC電解質材料，你想知道的都在這里！

 

電解質材料是SOFC所有組分中的重要組分之一 。作為核心部件，其主要作用是傳導離子，在陰極和陽極間形成導電通路。固體氧化物燃料電池對電解質的要求是比較高的，一般應具備如下的特征：

 

（1） 在運行溫度下具有較高的離子電導率（在1000℃時大于0.1S/cm），可忽略的電子電導率（在1000℃時小于10-3S/cm），這樣可以保持電池的順利工作；

 

（2） 氧化性氣氛和還原性氣氛下應具有一定的穩定性以及良好的致密性；

 

（3） 電解質應與陽極和陰極的熱膨脹系數相匹配，使電解質與電極接觸良好，以免發生開裂和脫落等現象；

 

（4） 較高的機械強度和較低的價格。

 

電解質材料按能夠傳導的離子可以分為氧離子傳導型和質子傳導型。常用的SOFC氧離子導體包括：具有螢石結構（基于ZrO2、CeO2和 Bi2O3的材料）或鈣鈦礦結構（如基于LaGaO3的材料）等。而摻雜鈰酸鋇和摻雜鋯酸鋇等，則是近年來發展較為迅速的高溫質子導體。

 

 

 

 

 

 

 

一般來說，氧離子固體電解質是由缺氧的螢石或鈣鈦礦氧化物制成的，它允許氧離子通過氧空位傳輸。螢石型氧化物是目前SOFC中應用最廣泛的電解質材料。

 

1、具有螢石結構的氧化物電解質

 

螢石結構氧化物是由陰離子構成的簡單立方點陣處于按面心立方密堆積的陽離子晶格內，陰離子占據全部四面體空隙，而全部的八面體空隙空著，這種結構為氧離子在晶格中擴散提供了傳輸通道。從離子學研究發展的歷史角度來看，具有螢石結構的氧離子導體是研究最早最深入的一類氧離子導體，其主要種類有ZrO2基電解質、Bi2O3基電解質和CeO2基電解質材料。

 

1.1、ZrO2基電解質

 

在氧離子固體電解質中，ZrO2基固體電解質是最早研究的SOFC電解質之一，也是目前高溫SOFC中應用最多的一種電解質材料。Y2O3是ZrO2基固體電解質最常用的摻雜劑。氧化釔穩定氧化鋯（YSZ）在還原和氧化氣氛中均表現出高強度的機械性能、良好的化學穩定性以及較高的離子電導率，是HT-SOFC中應用最廣的固體電解質材料。但ZrO2基電解質存在的主要問題是隨著溫度的降低，其電導率逐漸減小，從而限制了其在中溫固體氧化物燃料電池中的應用。

 

 

1.2、CeO2基電解質

 

CeO2也是一種螢石結構的陶瓷材料，可以在500——700℃的溫度范圍內穩定工作。與ZrO2基電解質相比，CeO2基電解質具有更高的離子電導率。

 

純的CeO2是一種離子與電子的混合導體，不合適作電解質。而CeO2基氧化物若摻雜低價的堿土或稀土氧化物，能有效增加體系氧離子空位，形成離子電導率大、電導活化能低的固溶體。CeO2基電解質在中溫時的電導率要比相同條件下YSZ的電導率大的多。目前，摻雜的CeO2基電解質是很有希望能運用于中低溫SOFCs 之中。

 

 

CeO2螢石結構示意圖

 

1.3、Bi2O3 基電解質

 

各種固體電解質材料中，Bi2O3基電解質材料具有最高的離子導電性，且與ZrO2電解質相比，與電極之間的界面電阻更小。但是Bi2O3基電解質材料在低氧分壓下極易被還原  、在低于700℃時，呈熱力學不穩定狀態。此外，離子導電的氧分壓范圍較小，在低氧分壓下，Bi2O3易被還原。因此，如何在低氧分壓范圍內保持Bi2O3的穩定性是今后的研究重點。

 

2、具有鈣鈦礦結構的氧化物電解質

 

鈣鈦礦結構（ABO3）氧化物具有離子—電子的混合導電性，是性能良好的電解質材料。LaBO3 （B=Al、Sc、Ga、Y等）鈣鈦礦在中溫下表現出高氧離子導電性，其中，LaGaO3基固體氧化物是研究最多的鈣鈦礦氧化物電解質。

 

 

鈣鈦礦材料的結構示意圖

 

3、其他結構的電解質

 

其他結構的電解質還有燒綠石型電解質（如Ln2Ti2O7）、鈣鐵石型電解質（如Ba2In2O5;）和非立方氧化物（如La10Si6O27）等，但由于穩定性不夠、電導率不高、存在電子電導或者其它各種各樣的問題，距離商業化的應用還用很大的差距，因而還有待進一步的研究。

 

 

除了氧離子外，質子傳導氧化物也可作為中溫SOFC電解質。因為質子是最小的正離子，所以其遷移率很高，低溫時就可以獲得很高的離子電導率。以質子導體氧化物為電解質的SOFC在過去幾十年中也得到了廣泛的研究，其中摻雜BaCeO3材料具有最高的質子電導率，被廣泛的關注。但是摻雜BaCeO3在酸性氣氛下（CO2、SO2）不穩定，易分解，而引入一些氧化物提高其穩定性后，其質子導電率又會大幅下降，這些因素都制約了摻雜 BaCeO3電解質的進一步應用。其他質子導體氧化物還有摻雜 BaZrO3、稀土摻雜LaNbO4、摻雜La2Zr2O7等，它們因為質子電導率低、或穩定性差等問題也難以被進一步應用。

 

 

SOFC作為一種高效清潔的能源轉換裝置，被公認為21世紀的革命性綠色能源技術。電解質是SOFC的核心部件，在SOFC的低溫化發展中至關重要。摻雜改進現有電解質是增大氧空位濃度、提高離子電導率、降低電池工作溫度的常見方法。目前，電解質的研究仍然處于早期的發展階段，所需要解決的主要問題是提高電解質材料離子電導率，同時提高化學穩定性，避免被還原。