氧化钪稳定氧化锆固体电解质材料的制备及性能研究

来源 :中国地质大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:liongliong518
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电解质是固体氧化物燃料电池(SOFC)的重要组成部件之一。Zr O2基固体电解质由于具有优良的电学性能、机械性能和广泛的应用范围而成为研究的热点,通过在Zr O2中掺杂Y2O3等低价氧化物,可以提高材料中氧空位的浓度,使其获得氧离子传导率。但是Y2O3稳定Zr O2(YSZ)作为最传统的SOFC固体电解质,只有在1000℃以上的高温下才能获得实用的电导性能。氧化钪稳定氧化锆(ScSZ)具有更优良的氧离子传导性能,尤其在中低温条件下(600-800℃)可以保持较高的电导率。因此,本论文以ScSZ固体电解质研究开展相关工作,并对其性能特点做出详细的研究。为了探索ScSZ作为固体电解质材料的性能特征,采用固相法制备了Sc2O3掺杂Zr O2(ScSZ)粉体,探究Sc2O3掺杂量对ScSZ物相结构和电学性能的影响,得出实验范围最佳的Sc2O3掺杂量为10mol%。选用常压烧结和放电等离子烧结(SPS)两种烧结工艺制备10ScSZ固体电解质材料,并探究其物相、微观形貌以及电学性能。常压烧结的试样采用5组不同的降温速率进行烧结,通过对试样的物相和微观形貌的分析表明,各试样均为四方相结构,且晶粒大小较均匀,平均晶粒尺寸为4μm左右。利用放电等离子烧结技术来实现10ScSZ固体电解质的快速致密化,并对烧结工艺参数进行了探讨。与常压烧结相比,SPS烧结有利于抑制晶粒的长大,且烧结体的致密度几乎可达到理论密度,对提高ScSZ的机械强度和离子导电性能有良好的作用。其中,1400℃放电等离子烧结的试样为立方相结构,晶粒间结合紧密,平均晶粒尺寸为0.5μm左右。交流阻抗谱测试结果表明,随着工作温度的升高,各试样的阻抗均减小,电导率增大,表明试样的导电机制为离子扩散机制。常压烧结的试样随着降温速率的增加,试样的晶界电导随之减小,说明快速降温有利于减缓杂质偏析,增强晶界电导。SPS烧结的试样的电导率随着烧结温度的升高而增大。其中1400℃SPS烧结的10ScSZ固体电解质具有最高的电导率,在800℃时,为0.1024S/cm-1。
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