基于室温固体氧化物燃料电池的超晶格电解质界面效应研究

The novel superlattice electrolyte LPSCF/YSZ/STO/YSZ will be prepared by pulsed laser deposition(PLD),optimizing the crystal lattice mismatch at an superlattice interface and enhancing the oxygen vacancy concentration,to improve the ionic conductivity of the superlattice electrolyte and lower the operation temperature for solid oxide fuel cells..The XRD,SEM,XPS spectra,etc.are tested so that the influence of the crystal structure on the oxygen vacancy concentration will be investigated at an superlattice electrolyte interface.The oxygen chemical diffusion coefficient,impedance spectrum, molecule vibration shift spectrum,etc.,are measured so that the mixed conductive mechanism and interaction mechanism of the superlattice electrolyte LPSCF/YSZ/STO/YSZ interface will be explored.On both the crystal and molecular structure level,the influence of LPSCF/YSZ/STO/YSZ superlattice interface interaction on the electric transport performance will be studied,the LPSCF/YSZ/STO/YSZ interface interaction pattern will be described,the superlattice mixed conductive mechanism will be expounded,and the scientific basis for research and development of high performance near room temperature SOFC will be provided.

采用脉冲激光溅射法，制备新型LPSCF/YSZ/STO/YSZ超晶格电解质，通过优化超晶格界面区晶格失配度，提高氧离子空位浓度，达到提高超晶格电解质材料的离子电导率，降低固体氧化物燃料电池工作温度的目的。测试LPSCF/YSZ/STO/YSZ超晶格电解质的XRD、SEM和XPS谱等，研究超晶格电解质界面区晶体结构对氧空位浓度的影响；测试其氧化学扩散系数、阻抗谱、分子振动频移谱、价带谱等，探索LPSCF/YSZ/STO/YSZ超晶格电解质混合导电机理和相互作用机理。.从晶体结构、分子结构水平研究LPSCF/YSZ/STO/YSZ超晶格界面相互作用对电输运性能的影响机制，给出LPSCF/YSZ/STO/YSZ界面相互作用规律，阐明LPSCF/YSZ/STO/YSZ超晶格混合导电机理，为研制开发高性能室温固体氧化物燃料电池提供科学依据。

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一高效、清洁的能源转化装置，决定其性能的最主要因素是电解质材料离子电导率的大小。目前在SOFC中应用最普遍的电解质是氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)电解质，YSZ仅在高温下（≥900℃）才有良好的离子电导性能。如此高的工作温度，导致电极材料的选择范围受到了限制，并且大大降低了SOFC的使用寿命和稳定性。如果将电池的工作温度降至(600-800℃)，或者更低温度(300-500℃)，电池寿命也可望延长几十倍，电池效率也大大提高和生产成本大幅降低。因此寻找在较低温度下具有足够高离子电导率的电解质是目前SOFC领域研究的重要课题。. 本项目提出一种新型超晶格电解质，通过交迭层晶格失配导致超晶格界面区存在大量氧离子空位，从而形成更多氧离子通过的开放通道，而不必由一个原子传送给另一个原子，使得这类超晶格电解质材料具有更好的离子导电性，为研发高性能中低温SOFC提供科学依据。. 采用脉冲激光溅射法，在多孔支撑的NiO-YSZ阳极基底上、ALO、STO和MgO衬底上，制备了新型YSZ/STO/YSZ、(GDC/YSZ)N和(SDC/YSZ)N/STO/MgO超晶格电解质，通过掺杂改性、增加界面数，优化超晶格界面区晶格失配度，提高氧离子空位浓度，达到提高超晶格电解质的离子电导率。研究了超晶格电解质的XRD、SEM、TEM、XPS谱和截面HAADF图谱等，探讨了超晶格电解质界面区晶体结构对氧空位浓度的影响，给出了超晶格电解质混合导电机理和相互作用机理。研究结果发现，在400-700℃中低温范围内，超晶格电解质的离子电导率随界面数的增加而增加。由于界面层数的增多，导致相应的缺陷增加，这些缺陷会在能隙中形成杂质能级，导致了活化能减少电导率增加。同时也发现，超晶格电解质(SDC/YSZ)20/MgO在低温时电导率比单层YSZ电解质薄膜高，在MgO衬底上增加加STO缓冲层的(SDC/YSZ)20/STO/MgO超晶格电解质薄膜的电导率更高，是中低温固体氧化物燃料电池较好的电解质。