氧化物掺杂LiNaCO3熔盐/SDC复相电解质有效电导增强机制及其结构-性能的优化研究

Based on the introduction of O2- ion to carbonate melt in favor of SDC/carbonate complex electrolyte oxygen ion conductance enhancement, this project intends to explore the limited dissolution of alkaline earth/rare earth metal oxide in the molten salt of (Li, Na) CO3, and the creation of the oxide doped with the (Li, Na) CO3 fused salts and their oxygen ion transport routes. The major research contents include: 1) Under the condition of low temperature, the selected oxide in different acidity saturated solubility of carbonate melts-temperature relationship, the existing form and.conductivity characteristics of components ions in the melt, as well as optimization of oxide doped carbonate;2) The solubility of SDC in the oxide doped carbonate melt and the corresponding relaxation characteristics of surface lattice structure, the correlation between the interfacial phase/molten salt volume fraction in the composite electrolyte of oxide mixed carbonate/SDC and its conductance enhancement;3) The microstructure characteristics of solid oxide doped carbonate and its ion transport characteristics;4) The effective enhancement mechanism of different composite structure composed of carbonate/SDC composite electrolyte by different SDC particle size, morphology, volume fraction, and the optimization of composition- composite structure and performance.

基于将O2-离子引入碳酸盐熔体有利于SDC/碳酸盐复合电解质氧离子电导增强的基本思路，本项目拟探讨通过碱土/稀土金属氧化物在(Li,Na)CO3 熔盐中的有限溶解，实现对(Li,Na)CO3 熔盐的氧化物掺杂及其氧离子输运通道的创建。主要研究内容：1）在中低温条件下选定氧化物在不同酸碱度碳酸盐熔体中的饱和溶解度-温度关系等、组分离子在熔体中的存在形态与输运电导特性、以及氧化物掺杂碳酸盐组成的优选；2）SDC 在氧化物掺杂碳酸盐熔体中的溶解特性及其表面晶格结构弛豫特征、氧化物掺杂碳酸盐/SDC 复合电解质中界面相和熔盐体相体积分数与其电导增强的相关关系；3）固态氧化物掺杂碳酸盐微结构特征（相关原子偏分布函数和有序畴尺寸等）及其离子输运特性；4）由不同SDC 颗粒尺寸、形貌、体积分数、碳酸盐组成构成的具有不同复合结构的碳酸盐/SDC 复合电解质有效电导增强机制及其组成-复合结构与性能的优化。

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs）的中低温化对其电极和电解质材料提出了新的要求。掺杂氧化铈与碳酸盐因两相间存在强烈的界面作用，使其有效离子电导得到显著增强，在中低温范围内表现出较高的有效离子电导。本项目主要在分别制备SDC及SDC-LNC纳米复合电解质的基础上，对电解质物相组成、微结构、形貌及其有效离子电导进行研究，探讨了SDC与LNC两相间的界面结构及其相互作用对复合电解质有效离子电导增强的影响规律。.采用不同的制备工艺合成不同形貌、尺寸的SDC纳米颗粒。在此基础上，将通过溶胶凝胶自燃烧法以及水热法制备的不同形貌的SDC颗粒：等大近球形颗粒与长棒状颗粒，分别与碳酸盐进行复合得到SDC-LNC纳米复合电解质，此外还选择氧化钆进行掺杂，研究Gd2O3、SDC与LNC的质量比、SDC尺寸形貌等对复合电解质微结构及性能的影响，以揭示碳酸盐/SDC复合电解质有效电导的增强机制与规律，实现结构-性能的优化。.结果表明，由于SDC与LNC相间存在强烈相互作用，覆盖于SDC晶粒表面的LNC以非晶态无定形结构形成界面相，复合电解质的有效离子电导率随LNC体积分数的增加表现出先提高后降低的变化特点。基于实验数据的复合电解质离子输运模型分析，得到复合电解质中SDC与LNC两相界面区的氧离子和质子电导率在650oC时远高于理论值，这表明对SDC-LNC纳米复合电解质来说，其相比纯SDC表现出的有效离子电导增强不仅源于液相LNC的贡献，SDC与LNC两相界面区更显著影响了复合电解质的有效离子电导特性。Gd2O3掺杂SDC-LNC纳米复合电解质在H2中展现出了相对于在O2中更好的电性能。Gd2O3/SDC与LNC的界面作用使得复合电解质的实际总离子电导相比理论值出现一定程度的增强。对于棒状SDC-LNC纳米复合电解质，通过通过交流阻抗法我们测得，在650 oC时，不同气氛下离子电导率分别达到108 mScm-1和92 mScm-1；通过直流极化法我们测得，在650 oC时，质子、氧离子电导率分别达到28 mScm-1和26 mScm-1，均大于理论值。棒状颗粒得到的SDC-LNC复合电解质电性能更优。这说明在SDC的所有晶面与碳酸盐的界面相中，{110}与碳酸盐的界面相对电导增强贡献更高。