Sc掺杂纳米ZrO2-BaZrO3离子-质子共传导复合电解质的制备及离子导电增强机理研究

固体氧化物燃料电池(SOFC)中低温（400～600 ℃）运行是其发展趋势，核心是制备具有适合机械强度高导电性的电解质。目前SOFC单相电解质因晶界电阻远大于晶粒电阻而无法满足要求，而离子-质子复合电解质不仅可以实现离子-质子共传导，而且质子对离子的作用可以降低离子迁移活化能，提高离子导电性。项目拟以改进的Pechini法制备Sc掺杂的纳米ZrO2-BaZrO3复合电解质，获得具有离子-质子共传导的复合电解质。综合运用XRD、SEM、TEM研究界面的结构，以二次离子质谱研究复合电解质的氧离子的扩散系数，计算迁移焓；用第一性原理研究复合电解质的质子缺陷与氧离子缺陷的作用对氧离子迁移的活化能以及迁移路径的影响，从微观上明晰复合电解质中离子导电增强机理。项目对探索实现SOFC中低温化关键问题电解质电导率的提高具有重大的理论与实际意义。

提高电解质电导率和烧结性能，制备单体电池是固体氧化物燃料电池研究的关键。项目采用溶胶凝胶法合成了纯相BaZr0.9Y0.1O3粉体。添加Bi2O3、ZnO、Li2O作为BaZrO3助烧剂后，2mol%Li2O、5mol% ZnO加入BaZr0.9Y0.1O3电解质后在800℃时电导率分别为1.58×10-2 S•cm-1和1.58×10-2 S•cm-1，5mol% Bi2O3后BaZr0.9Y0.1O3试样经1400℃煅烧12h即可致密度可达97.5%，烧结活化能Q=5.01 0.6eV，800 ℃时电导率达到1.0 ×10-2 S•cm-1。2mol%氧化锂加入Sm2O3掺杂CeO2（SDC）使烧结温度从1500 ℃ 10 h降低到900 ℃ 2 h。900 ℃时晶界扩散速率由0 mol% Li2O的9.8×10-19m3•N-1•s-1提高到4.2×10-17m3•N-1•s-1，提高将近两个数量级，烧结活化能5.5±0.5 eV，比未加助烧剂的4.70±0.32 eV高，原因可能是氧化锂在烧结过程中在SDC晶界中出现熔融态。随着Bi2O3加入Gd2O3掺杂的CeO2（GDC）的量增加，烧结过程致密化速率加快。Bi2O3含量5 mol%时样品的致密化速率为1050 ℃时的1.5×10-3 ℃-1 以及1295 ℃时的9.7×10-4 ℃-1 ，远大于GDC的1330 ℃的致密化速率值2.04×10-4 ℃-1。含量4 mol% Bi2O3时750 ℃的电导率达到0.041 S•cm-1。由于SSZ-BZY混合导体的烧结性能差，经过1500 ℃烧结8h后致密度仅有65%左右，测试的电导率低，没有达到提到电导率的目的。采用共流延共烧结的方法制备了阳极支撑型10 cm×10 cm平整的单体电池，突破了国外在单体电池成型技术上对国内的封锁。研究了流延工艺、烧结制度的影响，两电池小堆在750 ℃下放电开路电压达2.22 V，功率达51.2 W,密度达0.23 W•cm-2。