掺杂氧化铈-碳酸盐复合电解质导电性能的电阻网络模拟

首次用两相随机格点模型模拟掺杂氧化铈-碳酸盐复合电解质,进而将随机格点模型转变为随机电阻网络模型,对掺杂氧化铈-碳酸盐复合电解质导电性能进行了模拟。考察了碳酸盐体积分数、掺杂氧化铈颗粒的粒径大小、温度对复合电解质O^2-电导率和H⁺电导率的影响。模拟结果与钐掺杂氧化铈-碳酸盐复合电解质电导率的实验数据进行了对比。结果表明,模拟计算值与实验值具有很好的吻合性。     

纳米ScSZ基电解质中低温导电性研究进展

固体氧化物燃料电池（SOFC）适用于多种燃料气体,高效清洁,是最有前景的燃料电池之一。氧化钪（Sc₂O₃）掺杂二氧化锆（ZrO₂）系列（ScSZ）使氧化锆基电解质表现出优异的离子导电性。ScSZ基电解质晶粒纳米化呈现出了很好的电学性能而得到广泛深入的研究。但是ScSZ基电解质在中低温下会发生相变,产生低导电性的菱形相而影响其离子电导率。系统总结了单元或二元氧化物掺杂ScSZ电解质在中低温下的物相、晶体结构及电导率。多元氧化物复合掺杂ScSZ可有效防止在中低温下发生相变、稳定立方相ScSZ。采用不同方法制备纳米ScSZ基电解质,可很好地提高电解质的电导率。提出了ScSZ系列在中低温范围内（600~800 ℃）的发展方向：优化掺杂成分和掺杂量提高晶粒晶界电导率,使用不同工艺制备纳米电解质或不同制备方法制备新型结构电解质材料。     

具有复合电解质的低温固体氧化物燃料电池研究进展

高温固体氧化物燃料电池(SOFC)的低温化对于解决材料的稳定性、提高系统运行寿命和降低电池成本具有重要的意义,已成为近几年的研发热点。在实现SOFC低温化方面,目前国内外研究学者提出了不同的解决策略。综述了低温固体氧化物燃料电池(LT-SOFC)中复合电解质的研究进展,其包括引入碳酸盐材料作为第二相进行复合,构建类熔融碳酸盐固体氧化物燃料电池;引入过渡金属氧化物材料作为第二相进行复合,制备单组分燃料电池消除电极与电解质界面电阻提高电池性能,尤其是全氧化物复合电解质提高电池稳定性策略;引入半导体材料复合进一步提升LT-SOFC的电化学性能等几个方面。最后阐述了通过制备新型纳米复合材料进一步提升电解质离子电导率,改善界面接触问题以及探索新的电极材料对LT-SOFC电化学性能的影响。     

固体氧化物燃料电池电解质材料的研究进展

固体氧化物燃料电池(SOFC)被誉为21世纪最具有发展潜力的能源材料之一,它的热效率高、燃料的适应性强,能很好地满足区域供电、供热的需要,具有重要的经济和社会意义。本文综述了SOFC电解质的研究进展,指出在诸多的电解质材料中,尽管氧化铋系电解质拥有最高的电导率,但由于其化学稳定性很差,难以获得广泛的应用;氧化钇全稳定的氧化锆(YSZ)由于其中低温的电导率较低,只适用于高温SOFC;稀土掺杂的氧化铈和LaGaO3钙钛矿材料拥有较高的中低温电导率,性质较为稳定,是适用于中低温SOFC的电解质材料。     

BIMEVOX电解质陶瓷膜性能研究进展Ⅱ:双掺杂金属离子、合成方法和电极材料

由于Bi_2VO_(5.5)材料作为电解质在低较温度下具有较高的氧离子电导率,是用作中低温制氧机理想的电解质材料。优选出双掺杂的Bi_2V_(0.9)Cu_(0.075)Nb_(0.025)O_(11-δ)电解质陶瓷膜具有最高的氧离子电导率,并提高了机械性能;用共沉淀法合成的电解质粉体,可改善电解质陶瓷膜的性能;La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_3和Bi_2Cu_(0.1)V_(0.9)O_(5.35)混合氧化物是BIMEVOX电解质陶瓷膜最优的电极材料。对双掺杂金属离子、合成方法和电极材料对BIMEVOX电解质陶瓷膜性能影响进行了介绍。     

BIMEVOX电解质陶瓷膜性能研究进展Ⅰ:掺杂不同价态的金属离子

Aurivillius相的Bi_2VO_(5.5)是有趣的氧离子导体,掺杂金属离子的Bi_2VO_(5.5)电解质陶瓷膜在低温下具有较高的离子电导率。文章综述了掺杂具有不同离子半径、价态和浓度的金属部分取代Bi_2VO_(5.5)电解质中Bi~(3+)或V~(5+)对电解质陶瓷膜离子电导率和结构的影响,优选出掺杂Cu~(2+)和Sb~(5+)电解质陶瓷膜具有最高的氧离子电导率,对BIMEVOX电解质陶瓷膜致密性、机械强度等研究进行了总结。     

固体氧化物电池氧离子电解质研究进展

固体氧化物电池(SOCs)作为一种绿色、高效的全固态能量转换装置,既能在燃料电池模式下将氢、碳、烃、醇等燃料的化学能转化为电能,又能在电解池模式下分解水制氢,在缓解全球能源危机、实现碳中和等方面具有重要意义。然而,SOCs常用的Y₂O₃稳定的ZrO₂(YSZ)电解质材料在1 000 ℃以上才具有较高的离子电导率,但过高的工作温度会提高运行成本,限制材料选择,并降低系统稳定性。因此,降低工作温度一直是SOCs发展的核心问题之一,开发高电导率电解质材料和降低电解质膜厚度是实现SOCs中低温化应用的主要路径。本文从材料开发和薄膜制造两方面对中低温SOCs各类氧离子电解质的研究进展进行梳理,针对ZrO₂、CeO₂、Bi₂O₃及LaGaO₃基固体电解质,系统阐述了异价离子掺杂对提升氧离子电导率和稳定相结构的作用机制,介绍了电解质薄膜的制备技术和导电性能,为发展高性能固体氧化物电池电解质材料提供参考依据。     

固体氧化物燃料电池中的陶瓷材料

固体氧化物燃料电池(SOFC)也称为陶瓷燃料电池,其关键组成电解质、阴极和阳极均为陶瓷氧化物材料。致密电解质薄膜材料是核心,主要是(纯)氧离子导体,其电导率依赖于氧化物中的氧离子空位传导,氧空位主要来源于氧化物中低价金属离子掺杂;工业上主要使用萤石结构Y_2O_3掺杂的ZrO_2(YSZ)和Sc_2O_3掺杂的ZrO_2(ScSZ),更高氧离子电导率的材料包括掺杂的CeO_2、δ-Bi_2O_3和掺杂的LaGaO_3钙钛矿材料,有望在中低温下使用。电极都是多孔陶瓷材料,同时具有氧离子传导和电子传导性能。工业上阳极主要采用Ni-YSZ多孔金属陶瓷,具有混合离子电子导电性(MIEC)的钙钛矿材料是现在的研究热点。工业上阴极材料主要是掺杂LaMnO_3和YSZ复合陶瓷,在高温下具有良好的电化学性能和稳定性;中高温范围内被认可的材料是掺杂LaFeO_3基钙钛矿材料,以La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_3-δ为代表,具有良好的电化学活性和稳定性;优化材料组分和结构仍然是阴极材料的研究重点,也是SOFC领域必须突破的重要方向。     

低温燃烧法制备Ce_(0.9)Gd_(0.1)Y_(0.1)O_(1.9)粉体与性能研究

氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)具有氧离子电导率,但稀土氧化物掺杂CeO_2基电解质电导率更高。钆和钇共掺杂的氧化铈Ce_(0.9)Gd_(0.1)Y_(0.1)O_(1.9)(GYDC)粉末通过甘氨酸硝酸盐法合成。GYDC的制备通过使用相应的粉体来压制成颗粒并在空气中烧结他们。GYDC固体氧化物燃料电池的测试通过XRD、BET激光粒度等方法对合成的固溶体进行表征。XRD结果表明600℃焙烧产物有立方萤石结构。以甘氨酸为还原剂,金属硝酸盐作为氧化剂,采用低温燃烧法制备双掺杂CeO_2基超细粉体GYDC。按照低温燃烧反应的特点,系统地研究了不同的甘氨酸与金属硝酸盐的物质的量比(G/N)对燃烧反应历程,产物的性能和产率的影响。     

DDBA改性纤维对PEO聚合物电解质性能的影响

针对聚环氧乙烷(PEO)基聚合物电解质室温易结晶的问题，将4-4-二羟基-α,α’-二甲基卞联氮(DDBA)改性芳纶纤维(DF)掺杂在基体中，抑制PEO结晶，提高其离子电导率。通过交流阻抗、差式扫描量热等方法进行表征。结果表明：制备的聚合物电解质在少量DF掺杂时离子电导率有所改善，其中掺杂质量分数2.0%DF的电解质电化学性能最好，在25℃下电导率达到1.5×10^-5 S/cm，离子迁移数提高至0.30。     

中低温固体氧化物燃料电池电解质研究进展

固体氧化物燃料电池的中低温化是其商业化的关键所在,而在中低温度下具有高离子电导率等优良性能的电解质材料成为当今的研究热点。本文中阐述了各种电解质的导电机理、性能和研究现状,讨论了它们的优缺点和应用,且指出了中低温电解质材料的发展方向和亟待解决的问题。     

气相法制备Na-β″-Al2O3固体电解质

以纳米h-Al_2O_3为原料、Na_2CO_3、Li2CO3和Mg O为添加剂,采用气相法制备Na–β″-Al_2O_3固体电解质。结果表明:纳米h-Al_2O_3活性高、尺寸小,1 400℃热压烧结制备出相对密度为99.2%的高致密性氧化铝陶瓷。MgO的掺杂在氧化铝烧结过程中形成尖晶石相,有利于加快气相法的进程,适量MgO的加入有利于提高电解质中β″-Al_2O_3含量,减小试样的晶界电阻,提高试样的离子电导率;过多的MgO掺杂量造成试样致密性下降,增大了试样的晶界电阻,导致试样的离子电导率降低。当MgO的加入量为1.0%时,试样在300℃时的离子电导率最大,为0.164 S·cm~(–1)。     

掺杂对CeO2基电解质材料性能的影响研究进展

掺杂CeO₂基电解质是中低温固体氧化物燃料电池（SOFC）理想的电解质材料。首先阐述了掺杂CeO₂基电解质结构与性能的关系,接着介绍了金属离子掺杂对CeO₂基电解质晶体结构和电子结构的影响,重点综述了单元素掺杂和双元素掺杂对CeO₂基电解质性能的影响。通过分析得出：稀土金属元素单掺杂比碱土金属元素单掺杂更能显著提高CeO₂基电解质的导电性和可烧结性,但稀土氧化物的原料成本要远高于碱土氧化物;双元素掺杂比单元素掺杂具有更多的氧空位无序度和更小的氧离子迁移激活能,因此在提高CeO₂基电解质的离子电导率方面更有优势。总结了CeO₂基电解质材料的掺杂规律及构效关系,以期对制备出性能更加优异的CeO₂基电解质起到一定的指导作用。     

钐掺杂BaZrO3电解质的制备与电学性能研究

通过高温固相法合成了BaZr_(1-)_xSm_xO_(3-)_δ(x=0.05, 0.1, 0.15, 0.2)电解质材料,并对材料的物相结构进行了XRD表征。分别在空气和4%H_2O/H_2中,温度范围为500～800℃下,通过电化学工作站测试了该电解质材料的电学性能。研究发现,稀土元素Sm的掺杂对BaZrO_3电解质材料的电学性能有重大影响,当Sm元素的掺杂量为0.15时,电解质的电导率达到最大值。结果表明,Sm的掺杂可以有效提高BaZrO_3电解质材料的电导率。     

W、Ba共掺杂La_2Mo_2O_9电解质材料的制备及其性能

采用溶胶-凝胶法制备W~(6+)、Ba~(2+)共掺杂La_2Mo_2O_9电解质材料,对所得样品进行XRD、IR、TG-DSC、SEM等表征,通过分析表征数据,可以得到合适的掺杂比例及烧结温度。实验表明合适的掺杂比例可以抑制基体的相变并提高其电导率,800℃所得不同样品的电导率中,La_(1.9)Ba_(0.1)Mo_(1.85)W_(0.15)O_9具有最高的氧离子电导率,可达到0.0307 S·cm~(-1),相对于基体La_2Mo_2O_9有所提高,有望成为性能优良的中温电解质材料。     

纳米掺杂型复合物水凝胶的制备及在电容器中应用

聚合物复合材料可以兼具不同材料的优异性能,尤其在聚合物电解质方面表现出良好的应用前景。本文合成一种线性聚咪唑型离子液体,并在酸性条件下,将该聚离子液体,与刚性聚苯乙烯磺酸钠(PSS)和二氧化硅(SiO2)纳米填料,通过阴、阳离子静电复合形成一种新型复合物水凝胶。该纳米掺杂型复合物凝胶具有较强的耐酸性,可以在强酸(1 M硫酸)浸泡超过120 h不发生分解。此外,由于采用了低电荷密度、高柔性的线性聚离子液体,使该复合物凝胶具有较快的静电交换作用,可实现快速修复。该凝胶聚合物电解质可以作为超级电容器的电解质,该复合物电解质发生破损后,在电容器中静置5 min实现自修复,容量可以恢复到破损前95%以上,有效延长了电容器使用寿命。     

Al3+掺杂石榴石LLZO固体电解质的制备及电化学性能研究

固体电解质拥有较高的离子电导率、良好的化学稳定性、长的循环寿命以及安全可靠等优点，被广泛应用到各个领域，成为当前研究的热点。以LLZO固体电解质为研究对象，制备了不同含量Al掺杂的LLZO电解质材料，采用X射线衍射、扫描电镜和交流阻抗谱等方法对不同掺杂量和不同烧结温度下LLZO固体电解质的XRD、微观形貌及电导率进行了研究。结果表明：少量Al的掺杂可以明显地提升LLZO固体电解质的电导率，但随着掺杂量的增加，Al3+增多，阻塞了Li+的传输通道，导致电导率下降。同时，烧结温度对材料的性能也有一定影响，随着烧结温度的提升，同一含量Al掺杂LLZO的致密度和电导率也有明显提升。     

双掺杂Bi_2O_3电解质的合成及其电性能测试

通过双掺杂氧化镝和氧化钨于氧化铋中,合成电解质并对其导电性进行测试。通过差热-热重来分析其热性能,确定其合成的烧结温度;并利用粉末X射线衍射对合成材料进行相分析,利用交流阻抗谱方法测试、计算试样的电导率。结果表明,烧结温度800℃时可得到具有高电导率相的立方相萤石结构的粉体,并无其它晶型出现。经计算,掺杂后的氧化铋电解质在700℃时电导率达18.7 S/m,比目前使用最普遍的电解质材料YSZ电导率在500℃时高1~2个数量级。     

Co掺杂对Ce0．85Y0.15O2-δ固体电解质材料性能的影响

采用固相反应法合成并在不同温度下烧结Ce0.85Y0.15-xCoxO2-δ(x=0、0.01、0.03和0.05)固体电解质材料,着重研究Co掺杂量对试样的体积密度和离子电导率的影响.采用X射线衍射(XRD)分析烧结后试样的晶体结构,Archimedes法测定烧结试样密度,电化学阻抗谱测量试样的离子电导率.结果表明:试样Ce0.85Y0.15-xCoxO2-δ(x=0、0.01、0.03和0.05)1 400℃烧结后均呈单一的立方萤石结构相,掺杂Co可以有效提高试样的体积密度,促进试样烧结.此外,一定量的Co还可以增加试样的离子电导率,相同烧结条件下试样Ce0.85Y0.14Co0.01O2-δ呈现出最高的离子电导率,1 450℃烧结,其离子电导率在800℃时达到0.083 1 s/cm.     

过渡金属离子对Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)电解质离子导电性的影响

本文研究了掺杂过渡金属离子(Ni~(2+)、Cu~(2+)、V~(5+)、Mn~(2+))对Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)(SDC)材料离子导电性的影响。用电化学阻抗谱、SEM、XEDS等检测手段对样品的离子导电性、显微结构和微区元素进行了检测分析,并对影响机理进行了探讨。结果表明:掺杂过渡金属离子对SDC电解质材料的离子电导率有不同程度的影响,且主要是对晶界离子电导率产生较为显著的影响。Ni、Cu对SDC晶界离子电导率的提高相对较为显著,从而导致其对宏观离子电导率的提高也较为显著;其它过渡金属离子和铝离子对SDC电解质晶界离子电导率提高作用相对较小,故而对其宏观离子电导率的提高作用也较小。