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)是一种能量转换效率高和环境友好的新能源装置.综述了SOFC中固体电解质的研究进展,概述了ZrO2基、CeO2基、Bi2O3基和以掺杂的LaGaO3为代表的钙钛矿结构固体电解质的研究情况.稳定的高离子电导率固体电解质的研制及其薄膜化研究是降低SOFC工作温度的两个主要途径.     

Bi2O3基固体电解质材料研究进展

从Bi2O2的结构和Bi2O3的掺杂研究两方面综述了Bi2O3基固体电解质材料的研究进展.有关研究表明:高电导率所对应的相是δ相,这是由其独特的结构特征所决定的;掺杂离子半径的大小、组成和掺杂量皆对Bi2O3基固体电解质的电导率和稳定性有着很重要的影响.尽管目前Bi2O3基固体电解质的氧离子导电性是所有正在开发的固体电解质中最高的,但是其热稳定性以及离子导电性都还有待于进一步改进.     

固体氧化物燃料电池用CeO2基电解质的研究进展

作为一种高效的能源转换装置,固体氧化物燃料电池(SOFC)因具有高效率、环境友好和燃料灵活等优点受到广泛关注.电解质作为SOFC的核心部分,其性能的好坏直接决定SOFC的性能.SOFC使用的传统电解质材料是部分氧化钇稳定的氧化锆(YSZ),但因其工作温度高(约1000℃),由此带来电极材料的选择、密封等诸多困难.因此,开发适用于中低温下的电解质对推进SOFC的商业化进程至关重要.单元素掺杂的氧化铈基电解质在中低温下的电导率高于同温度下YSZ的电导率.然而,CeO2基电解质也存在以下不足:在低氧分压下,部分Ce4+被还原为Ce3+而产生电子电导;在中低温度下,晶界电阻较大而使总电导率降低.影响CeO2基电解质电导率的因素较多,如粉体的制备方法、烧结体的微观形貌、掺杂剂的种类和浓度.其中,较为重要的影响因素是掺杂剂的种类及其浓度、粉体的制备方法.针对以上问题,研究人员普遍认为,相比于单掺杂CeO2,元素共掺或多掺(尤其掺杂稀土元素)更有利于改善电解质的离子电导率,并降低电子电导率.掺杂元素的种类通常包括:稀土元素和部分碱土金属元素.除元素掺杂外,不同碳酸盐复合的CeO2基电解质也引起了研究人员的兴趣.在制备方法上,采用微波烧结、多元醇法、静电纺丝等不同粉体制备方法可得到高离子电导率的电解质,此外,将电解质薄膜化或采用脉冲激光沉积(PLD)在CeO2电解质基底上沉积一层隔膜都可以降低电子电导,提高电导率.本文结合最近几年学者们对CeO2基电解质的研究状况,简述了元素掺杂、粉体的制备方法以及电解质薄膜对CeO2基电解质电性能的影响,并对其发展进行了展望.     

Ce1-xPrxO2-x/2的溶胶-凝胶法的合成及其性质

利用溶胶—凝胶法合成了Ce1-xPrxO2-x/2(x＝0—0．3)系列固体电解质，系统地研究了其结构和导电性。由于洛胶—凝胶法合成的物质粒度均匀，颗粒小，故在较低温度(1300℃)时即可形成高致密度样品。XPS测试表明掺杂后吸附氖浓度明显增大，氧空位增多，电导率和氧离子迁移数增大，改善了CeO2基固体电解质的性能。阻抗谱分析发现，在低温区电导率主要取决于晶界电导，而在高温区电导率主要取决于晶粒电导。     

钙钛矿结构固体电解质材料的研究进展

钙钛矿结构固体电解质材料由于其优越的导电性能而被人们发现并广泛研究.综述了SOFC中钙钛矿结构固体电解质材料的研究进展,概述了氧离子导体、质子导体、锂离子导体为代表的钙钛矿结构固体电解质的研究情况以及湿化学法制备中低温下工作的SOFC电解质材料的主要途径.     

固体氧化物燃料电池中电解质研究进展

从萤石结构型氧化物和钙钛矿结构型氧化物两个方面综述了固体氧化物燃料电池(SOFC)中电解质的研究进展.有关研究表明,掺杂剂的组成和掺杂量以及不同氧化物的结构对固体电解质的电导率和稳定性有着直接的影响.尽管目前已经进行了大量的关于固体电解质电导率促进作用机理的研究工作,但还未形成共识.同时,LaGaO3基钙钛矿型氧化物固体电解质具有广阔的应用前景.     

新型La2Mo2O9基氧离子导体的研究进展

自2000年Lacorre等人报道La2Mo2O9具有较高的氧离子电导率以来，La2Mo2O9基氧离子导体由于具有优异的性能而受到人们的关注．本文综述了新型氧离子导体La2Mo2O9的研究现状．重点介绍了纯La2Mo2O9及其掺杂体系的结构与相变、氧离子电导率、氧空位扩散机理、化学稳定性和热膨胀系数等性能．已有的研究结果表明，基于La2Mo2O9的氧离子导体可望在固体氧化物燃料电池、氧传感器、透氧膜等方面得到应用．     

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。     

Y2O3掺杂ZrO2基电解质材料的离子传导性能及研究进展

纯二氧化锆掺杂了与锆离子半径相近的低价阳离子后,会产生较多氧空穴,可以实现离子导电.其中Y2O3,掺杂ZrO2基电解质材料有着优越的离子传导能力,它已经被广泛的应用到传感器和固体电解质上.介绍了Y2O3掺杂ZrO2基电解质材料导电的机理,简述了YSZ材料以及多元掺杂的ZrO2基电解质材料的研究进展.     

La1-xSrxCo0.2Fe0.8O3-δ阴极材料的导电机理研究

La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ系(LSCF)钙钛矿结构复合氧化物是一类性能优异的离子-电子混合导体,同时具有良好的化学稳定性和催化活性,是很好的中低温固体氧化物燃料电池(SOFC)阴极材料的候选材料.本文测试了制备出的La1-xSrxCo0.2Fe0.8O3-δ(x=0.1～0.5)系材料电导率并探讨了它们的离子导电、电子导电的微观机制,指出除了小极化子导电机制外,还可能有以下几种机理共同作用:1)热激发引起Co3 离子的电荷歧化;2)高温下氧空位生成导致的离子补偿;3)Fe4 较Co4 优先进行电子补偿.     

镁离子电池固体电解质MgZrNi_(1.5)(PO_4)_3的实验研究

镁离子电池发展到现在,能够适合其多次充放电的稳定结构液相电解质至今没突破,使镁离子电池的发展应用严重受限~([1-2])。如有优良的固体电解质~([2-3])取代受限的液相电解质,镁离子电池的发展将上升一个维度。本实验的研究是通过溶胶-凝胶法合成镁离子电池固体电解质MgZrNi_(1.5)(PO_4)_3,用Ni~(2+)取代原有固体电解质MgZrNi_(1.5)(PO_4)_3中一部分Zr~(4+),通过加入镍离子加大原有固体电解质的电导率,同时能加大电解质原有容量。通过实验证明,经过溶胶-凝胶法并进行离子取代,制备出的镁离子电池固体电解质电导率较原有固体电解质有较大提高,810℃温度下合成后的样品,电导率达到6.2×10~(-6) S/cm,比未经离子取代的固体电解质Mg_(0.5)Zr_2(PO_4)_3~([2]),电导率提高明显,为今后镁离子电池固体电解质的发展提供了重要参考。     

不同分子量PEO合成的聚乙二醇嵌段聚合物固体电解质研究

用不同平均分子量的聚乙二醇混合物和二氯甲烷在氢氧化钾存在下合成氧亚甲基连接的聚氧乙烯多嵌段聚合物作为电解质基质.通过正交实验,对影响凝胶型固体电解质室温电导率的因素,LiClO4、纳米SiO2、增塑剂碳酸乙烯酯、碳酸丙稀酯以及嵌段聚合物的用量等进行了优化研究和验证.实验结果表明,LiClO40.7g,SiO20.7g,嵌段聚合物为7g,EC/PC的质量比为5:0时,得到室温离子电导率为1.79×10-3S/cm的聚合物固体电解质.拉曼光谱分析表明体系中只有自由离子,没有发现离子对及离子聚集体.可见光透射光谱表明该体系可以用于制备电致变色器件、灵巧调光窗及新型平板显示器.     

聚合物复合固体电解质材料研究进展

固体电解质是发展高安全、高能量密度全固态锂电池的重要材料基础。由聚合物相与无机相复合形成的聚合物复合固体电解质,兼具聚合物轻质、柔性,以及无机材料高强度、高稳定性等优势,是最具应用潜力的固体电解质材料。目前,制约聚合物复合固体电解质实际应用的主要瓶颈问题为其室温离子电导率较低。综述了目前关于聚合物复合固体电解质离子传导机制的科学认识以及提升其离子电导率的方法,分析了先进表征工具在揭示聚合物复合固体电解质离子传导机制方面的应用潜力,并展望了聚合物复合固体电解质未来的发展方向和工作重点。     

Li_2SO_4基非晶固体电解质及其薄膜性质

研究了用真空闪蒸法制备的Li2SO4基非晶（1－x－y）LiCl·yLi2SO4·xP2O5体系固体电解质薄膜，对固体电解质体性质及其薄膜的结构、成分进行了研究。所得的膜是非晶的，表面成分接近体的成分，氧稍有富集，表面碳沾污较严重。当0．3≤x＜1时，所得固体电解质均为非晶态。引入的Li2SO4量超过20％时，体系出现新的快离子导电相。电导率变化较复杂，出现两个谷值。P2O5引入时无新相产生。电导率随温度变化，在200℃≤T≤282℃时满足Arrhenius方程。对组分与体相相同的薄膜来说，薄膜的电导率与组分无关。此外，用复阻抗谱对系统的电化学参量进行了研究。     

新型氧离子导体La_2Mo_2O_9的研究进展

钼酸镧(La_2Mo_2O_9)是一种新型氧离子导体,具有电导率相对较高,制备温度较低等优点,广泛应用于多种电化学装置系统中。分别从结构与传导机理、制备方法、导电性能及展望4个方面综述了钼酸镧基电解质的研究进展。着重阐述了相变抑制、内耗-温度谱、LPS(Lone Pair Substitution)理论等在钼酸镧基电解质传导机制方面及固相反应法、溶胶-凝胶法、冷冻干燥法等在制备钼酸镧基电解质方面的最新研究成果。同时阐述了钼酸镧基电解质作为一种优良的氧离子导体,在氧泵、浓差电池、燃料电池等方面的性能。     

复合型聚醚聚氨酯固体电解质的制备及交流阻抗分析

合成了1种线性聚醚聚氨酯,并以此聚合物为基体加入O/Li=16(摩尔比)的锂盐,分别掺入纳米SiO2、纳米TiO2制备了两类复合聚合物固体电解质(CSPE).在室温下,纳米SiO2复合型聚合物固体电解质的电导率最大,达到6.40×10-6S/cm.通过红外光谱、热分析及交流阻抗等手段研究了电解质本体,以及掺入无机氧化物粒子之后其质量分数与离子电导率之间的关系.结果表明,纳米SiO2质量分数达到15%,纳米TiO2质量分数达到25%时,离子电导率最大.在室温下,加入纳米SiO2比加入纳米TiO2的离子电导率要高;但随着温度的升高,这种差距越来越小.     

La1-xSrxCo0.2Fe0.8O3系阴极材料制备及表征

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种先进的能量转换装置,具有高效、无污染、环境友好等优点,阴极材料是它的重要组件.La1-xSrxCo0.2Fe0.8O3钙钛矿结构氧化物是一类性能优异的离子-电子混合导体,可作为其阴极材料.本文采用固相反应法制备出固体氧化物燃料电池的多孔阴极材料La1-xSrxCo0.2Fe0.8O3(LSCF,x=0.1～0.6),通过XRD,TG/DTA等测试技术研究了LSCF的结构与制备过程,采用直流四探针法测试了样品的电导率,同时测定了这类组成样品的热膨胀系数.结果表明,制备的样品为单一钙钛矿相,随着Sr含量增加,XRD衍射峰值向高角度方向稍有偏移.电导率随着温度及Sr含量的变化出现极大值,其导电机理在低温下是以小极化子跃迁机理为主,高温下则是氧空位的电荷补偿占主导地位.     

磷灰石结构硅酸镧氧离子导体的研究进展

磷灰石结构硅酸镧具有优良的氧离子导电性和化学稳定性,有望作为新一代中低温固体氧化物燃料电池电解质.综述了磷灰石结构硅酸镧的结构特征及导电机理,探讨了La位和Si位不同元素掺杂对硅酸镧电解质电导率的影响.概述了固相反应法、溶胶-凝胶法、凝胶-注模法、共沉淀法、熔融盐法合成硅酸镧的现状,指出了硅酸镧作为固体氧化物燃料电池电解质仍存在的问题及今后的发展方向.     

EDTA溶胶-凝胶法制备LSGM8282和LSGMF5及其性能比较

采用EDTA络合溶胶-凝胶法合成了中温固体氧化物燃料电池的电解质LSGM8282(La0.8Sr0.2Ga0.8-Mg0.2O3-δ)和LSGMF5(La0.8Sr0.2 Ga0.8Mg0.15Fe0.05O3-δ),比较了LSGM8282和LSGMF5的比表面积、交流阻抗谱、电导率、密度、XRD和FT-IR等,研究了Fe掺杂对LSGM8282性能的影响.结果表明,Fe掺杂使LSGM8282离子的电导率由3.62×10-2S/cm提高到5.21×10-2S/cm,致密度由95.13%提高到97.93%.由此可见,Fe的掺杂使LSGM8282的各种性能均得到一定提升,LSGMF5比LSGM8282更适合作中温SOFC电解质材料.     

8 mol%Yb2O3掺杂的ZrO2基固体电解质的电性能研究

研究了通过压坯烧结制备的8YbSZ(8 mol%Yb2O3掺杂的ZrZO2)致密固体电解质的电导率.初始粉体的较高活性、各组分分布的均匀性以及Al2O3的加入,使得陶瓷的烧结在1 400℃时几乎达到完全致密.随着烧结温度的进一步升高,离子电导率的变化不大,并且当烧结温度在1 450℃和1 550℃之间时达到最佳.8YbSZ烧结体具有较高的离子电导率,可以用作中温燃料电池的固体电解质材料.文中还对8YbSZ的老化进行了讨论.