电子迁移对钇稳定氧化锆电解质性能的影响

本文讨论了在不同测氧分压、温度、相对密度及引入Al2O3下,电子迁移对钇稳定氧化锆电解质性能的影响。结果表明：氧化锆氧浓差电池测量的氧分压越低,电子迁移对池电势的影响越大;电池的工作温度越低,电子迁移数越大,测量误差越大;烧结越致密的电解质其电子迁移数越小;适量的引入Al2O3可以降低电子迁移数,提高测氧准确性。     

用铝液抽氧法测量氧化锆的电子特征氧分压

用从铝液和银液中抽氧的库仑滴定法测定了自制氧化钇稳定的氧化锆固体电解质的电子特征氧化压力Pθ，结果表明，900度时电子特征氧分压的范围是10^-26-10^-28kPa，自制氧化锆电解质可用于渗碳气氛氧浓度的测量而不必考虑电子电导对浓差电势的影响。用铝液能实现低温下电子 特征分压的测量。     

ZO—系列氧化锆氧量分析仪常见故障分析及处理方法

一、前言 ZO-系列氧化锆氧量分析仪是八十年代开始应用的先进的气体氧量分析仪。其工作原理是根据能斯特(Nernst)公式计算的。氧化钇稳定的氧化锆材料是一种高性能的氧离子导体,氧化锆锆管内外侧涂以多孔铂电极,在高温(大于600℃)时,当氧化锆锆管内外两侧分别通以不同氧浓度的气体时,就形成氧浓差电池: (PO_2′)Pt/ZrO_2-Pt(PO_2″) 阴极:O_2 4e=2O~(2-) 阳极:2O~(2-)=O_2 4ePO_2′和PO_2″分别为参比气氧分压和被测气氧分压,氧浓差电池电动热E与氧分压的关系可用能斯特(Nernst)公式表示:     

氧化锆固体电解质电子导电性能的测定

本文采用从铝液（７００￣１０００℃）和银液（１０００￣１１００℃）中抽氧的方法，测定了自制氧化锆固体电解质管的电子特征氧分压Ｐｏ２以及Ｅ－Ｉ，Ｅ－ｔ曲线，得出自制电解质管在９３０℃渗碳气氛中使用时，可以忽略电子电导对电池电势的影响的结论。     

某些氧离子固体电解质的合成和电导研究

本文简要综述作者所在的实验室近几年来在氧离子固体电解质陶瓷材料方面的研究工作。包括Y_2O_3稳定的ZrO_2(简称YSZ)、Bi_2O_3基复合氧化物、莫来石固溶体材料等。主要对这些材料体系的化学合成和电导研究结果进行讨论。     

氧传感器YSZ陶瓷层的制备及其与Al_2O_3绝缘层的共烧

片式氧传感器在生产过程中需要对YSZ与Al_2O_3陶瓷进行叠层共烧,为保证内部多孔铂电极的功能,共烧温度不能高于1 500℃。实验采用溶剂热法制备纳米级YSZ粉体,通过调节反应温度与反应物浓度降低合成YSZ粉末的烧结温度,使其1 400℃烧结致密度达99.1%,500℃电阻率仅为11.5Ω·m;之后通过将Al_2O_3与CaO、MgO、SiO_2等烧结助剂混合方式降低Al_2O_3的烧结温度,并通过调整Al_2O_3粉体中α相与γ相的比例使其烧结收缩率与YSZ陶瓷匹配,500℃电阻率为1.3×104Ω·m。在1 400℃范围内可以与YSZ实现共烧,得到不翘曲不开裂的双层共烧陶瓷,可以达到氧传感器的制备与使用要求。     

氧化锆基氧传感器对抽气(空气)系统的低真空测量

应用Y₂O₃稳定ZrO₂氧浓差电池,在600～800℃测定了抽气（空气）系统（0．1～10－3MPa）中氧对大气氧的浓差电动势．实验得出,电池电动势E与被抽真空系统残余气压p的对数有线性关系：E＝RT／4F1n（p_air／p）,线性方程斜率和理论值RT／4F接近,误差≤5％．测量电动势灵敏度随压力降低而增加,因此适宜用于低真空测量．     

BaCe0.4Zr0.3Sn0.1Sm0.2O3-α的中温离子导电性

采用高温固相法合成了Sn4+、Sm3+双掺杂的BaCeO3-BaZrO3固溶体——BaCe0.4Zr0.3Sn0.1Sm0.2O3-α(BCZSS)固体电解质材料,并进行了XRD、SEM测试表征。采用同位素效应、浓差电池等电化学方法研究了样品在873～1073K的离子导电特性。浓差电池测试结果表明样品在湿润氧气气氛中是离子(质子+氧离子)和空穴的混合导体,样品在湿润氢气气氛下存在氧离子导电性。H2O-Ar气氛下的电导率高于相同温度下D2O-Ar气氛下的电导率,表明该样品在含水气氛中是一种优良的质子导体。     

Al2O3掺杂对YSZ固体电解质烧结及电性能的影响

研究了用常规共沉淀法掺杂Al2O3对YSZ固体电解质的烧结及电性能的影响．结果表明：适量的Al2O3能提高YSZ材料的烧结性能，促使其致密化，但过量的Al2O3对材料的致密化不利；同时，材料的晶界电导随Al2O3含量的增大表现出先增大后减小的变化趋势，这与Al2O3对YSZ晶界两方面的不同影响有关，Al2O3偏析于晶界一方面能清除晶界上对氧离子电导不利的SiO2，但另一方面也会降低晶界空间电荷层中的自由氧离子空穴的浓度．     

Ba0.98Ce0.9Y0.1O3-α固体电解质的离子导电性

用高温固相反应法制备了非化学计量性固体电解质Ba0.98Ce0.9Y0.1O3-α，分别用氢浓差电池及氧浓差电池方法研究了在600－1000℃范围Ba0.98Ce0.9Y0.1O3-α的离子导电特性。结果表明，Ba0.98Ce0.9Y0.1O3-α固体电妥质在氢气气氛中几乎为纯质子导体，而在氧气气氛中为氧离子和电子空穴混合导体。     

(Ce_(0.9)Gd_(0.1)O_(2-δ)/ZrO_2:8%(摩尔分数)Y_2O_3)_n超晶格电解质薄膜的制备与特性

采用脉冲激光沉积技术(PLD),在SrTiO_3(STO)单晶片上依次沉积钇稳定氧化锆(ZrO_2∶8%(摩尔分数)Y_2O_3,YSZ)和氧化钆掺杂的氧化铈(Ce_(0.9)Gd_(0.1)O_(2-δ),GDC)制备出5种不同调制周期数n(n=4,6,10,20,30)的(Ce_(0.9)Gd_(0.1)O_(2-δ)/ZrO_2:8%(摩尔分数)Y_2O_3)_n超晶格电解质薄膜。利用X射线衍射(XRD)、高分辨率透射电子显微镜(HR-TEM)和扫描电子显微镜(SEM),研究(GDC/YSZ)n超晶格电解质薄膜的形貌和晶体结构,发现薄膜表面颗粒生长致密、均匀,薄膜的界面处无元素扩散,外延生长状况良好,薄膜的结构优异。电化学测量研究表明,随着(GDC/YSZ)n超晶格电解质界面数的增加,其离子电导率相应增加,(GDC/YSZ)n=30超晶格电解质的离子电导率最大。     

日本研制出新型电解质材料

日本东邦气体公司和第一稀有元素化学工业公司共同开发了固体电解质燃料电池用新型高性能电解质材料—抗氧化性能稳定的氧化锆(ScSZ)。固体电解质燃料电池是在氢和氧结合时,使氧离子透过锆系陶瓷电解质进行发电的。东邦气体公司着眼于ScSZ的易使氧离子通过的特性,研究氧化钪的最佳配比,从而获得了可长期、稳定地使氧离子通过的性能。而第一稀有元素化学工业公司则通过改进该材料的制造工艺,提高了烧结后电解质的强度。实验证明,与以前的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)相比,该材料的氧离子通过能力提高了1～2倍,能在相同输出功率条件下缩小体积1/2～2/3倍。     

对称固体氧化物燃料电池电极材料Sm0.9Pr0.1FeO3-δ的制备及性能研究

采用柠檬酸-硝酸盐自蔓延燃烧法合成了Sm_(0.9)Pr_(0.1)FeO_(3-δ)(SPF)粉体。以YSZ为电解质,SPF同时作为阴极和阳极,构建了对称固体氧化物燃料电池SPF|YSZ|SPF。利用X射线衍射法研究材料的成相以及相互间的化学稳定性,交流阻抗法记录界面极化行为,热膨胀仪评估材料的热膨胀系数,用扫描电子显微镜观察电池的断面微观结构,用自组装的测试系统评价电池输出性能。结果表明,合成的SPF粉体呈钙钛矿结构,且在还原条件下仍保持不变,与电解质YSZ间有良好的化学及热稳定性;800℃时空气及氢气气氛下的电解质|电极间的极化阻抗分别为0.15和15.80Ω·cm2;以加湿H2(含体积分数3%的水蒸气)为燃料气,空气为氧化气时,单电池SPF|YSZ|SPF输出功率密度为168mW/cm2。结果显示SPF是对称固体氧化物燃料电池良好的候选电极材料。     

Bi/Bi_2O_3型氧传感器在NaCl-CaCl_2熔盐中的应用

熔盐作为一种有着众多应用的工业流体,但是随着科学技术的发展,如熔盐反应堆对熔盐的成分和性能有着更高的要求。熔盐中氧含量对熔盐的应用会产生很大的影响。文章主要探究了以钇稳定的氧化锆(YSZ)为固体电解质,以Bi/Bi_2O_3为参比电极的自制测氧传感器在熔盐体系中的应用。自制的氧传感器在熔融NaCl-CaCl_2中测氧的响应性好。熔融NaCl-CaCl_2中氧含量随着覆盖气体氧含量的升高而升高,其变化曲线符合Freundlich模型。Bi/Bi_2O_3型的氧传感器在熔盐中测氧探索实验取得了初步成果,需进一步开展氧传感器性能的探究实验。     

镱铝共掺杂氧化锆电解质材料制备与性能

采用固相法制备了镱铝共掺杂氧化锆电解质材料。实验结果表明:Al_2O_3(氧化铝)能促进电解质的烧结并提高电解质的抗弯强度。Al_2O_3对电导率的影响与Yb_2O_3(氧化镱)的掺杂量有关,仅当Yb_2O_3掺杂量为6%(摩尔分数)时,Al_2O_3掺杂有利于氧离子电导率。6%(摩尔分数)Yb_2O_3和0.5%(摩尔分数)Al_2O_3共掺杂的氧化锆电解质具有优异的抗弯强度和最高的氧离子电导率,以其作为支撑体的电池在800℃的功率密度为0.40W/cm~2。     

浅析Na-β-Al_2O_3固体电解质传感器

文章介绍一种β-Al_2O_3作为固体电解质隔膜,Na离子作为传导离子,用金属铝,NaCl(S)-AlCl_3熔盐为参比电极,待测极为含NaCl固体和液体熔盐NaCl-AlCl_3-ZnCl_2熔体的Zn-Al熔体,构成由Al活度决定的池电势反应。给出了相应的电池结构和传感器结构,实验证实了传感器能准确的检测控制锌液中的铝含量。     

Gd_2O_3掺杂量对Ce_(1-x)Gd_xO_(2-δ)电解质导电性能的影响

在500～700℃时,Gd_2O_3掺杂CeO_2具有较高的离子电导率,从而被广泛应用于中温固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)中。但在SOFC运行时,在电池的阳极侧Ce~(4+)会被还原成Ce~(3+),产生电子泄露现象,从而造成SOFC电池性能的衰减。采用溶胶-凝胶法成功制备Ce_(1-x)Gd_xO_(2-δ)(x=0.05,0.10,0.15,0.20,0.25,摩尔分数)固体电解质,研究不同Gd~(3+)掺杂量对GDC电解质总电导率和电子电导率的影响,同时对总电导率、电子电导率与温度、氧分压之间的关系进行分析。结果表明:测试温度为750℃、Gd~(3+)掺杂量为0.20时,GDC电解质的总电导率最大,达到8.59×10~(-2) S·cm~(-1);电子电导率随着Gd~(3+)掺杂量的增大而降低,当Gd~(3+)掺杂量为0.10、测试温度为750℃时,GDC电解质的电子电导率最大,为6.47×10~(-4) S·cm~(-1)。Gd_2O_3掺杂量为0.20的GDC电解质具有最高的总电导率和较小的电子电导率,从而突显出最高的离子电导率。     

无机固体电解质Li_7La_3Zr_2O_(12)的研究进展

目前,采用固体电解质代替传统电解液发展新型全固态锂离子电池,已成为解决电池安全问题、提高电池储能密度的一项重要的技术方法。固体电解质材料作为全固态锂电池的核心,它的性能很大程度上决定了电池的各项性能指标。迄今被研究过的无机固体电解质材料有很多,包括NASICON型、LISICON型、钙钛矿型和石榴石型等晶态固体电解质,和氧化物及硫化物等玻璃态固体电解质,其中石榴石型结构的Li_7La_3Zr_2O_(12)材料具有优异的综合电化学性能,使其更具实际应用潜力和研究价值。实验与理论计算结果表明该材料具有较高的锂离子电导率(10~(-4)～10~(-3)S·cm~(-1)),能与负极金属锂及大部分正极材料稳定接触,电化学窗口高达6 V。根据近年来国内外在该类材料上的研究现状,主要从Li7La3Zr2O12的晶体结构特征、制备方法及掺杂改性等方面进行了详细介绍,最后阐述了Li_7La_3Zr_2O_(12)固态电解质材料在全固态锂电池中的发展前景及面临的挑战。     

石榴石型固体电解质Li7La3Zr2O12的掺杂改性及应用研究进展

使用固体电解质的固态锂电池在安全性和循环性等方面具有明显优势,已成为锂电池的重要研究方向。固体电解质类型众多,其中石榴石型固体电解质锆酸镧锂(Li_7La_3Zr_2O_(12))具有与金属锂接触稳定、电化学性能稳定等特点,在固态锂电池领域具有潜在的研究价值。综述了固体电解质Li_7La_3Zr_2O_(12)的掺杂改性,如Li位、La位、Zr位以及双位的掺杂改性,介绍了Li_7La_3Zr_2O_(12)在锂硫电池中的应用,指出了该材料面临的挑战并对其发展前景进行了展望。     

石榴石型固体电解质Li7La3Zr2O12的研究进展

固态电解质主要包括聚合物固态电解质、无机固体电解质、薄膜固态电解质。简单介绍了无机固体电解质的分类,着重阐述了无机固体电解质锂镧锆氧(Li_7La_3Zr_2O_(12))的合成方法、掺杂和表面修饰研究进展,并展望了研究前景。