【摘 要】
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固体氧化物燃料电池（SOFC）因具有环境友好、全固态、能量转化效率高等优点受到了广泛的关注。固体氧化物燃料电池由阳极、电解质和阴极组成。其中电解质是SOFC的核心部件,电解质的性能直接决定了电池的能效。传统的电解质是氧化钇稳定氧化锆（YSZ）电解质,其工作温度需要达到1000℃才能具有良好的离子电导率。然而,电池的工作温度过高会导致电池研发成本过高、电极材料稳定性差以及单电池性能衰减严重等问题。因
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固体氧化物燃料电池（SOFC）因具有环境友好、全固态、能量转化效率高等优点受到了广泛的关注。固体氧化物燃料电池由阳极、电解质和阴极组成。其中电解质是SOFC的核心部件,电解质的性能直接决定了电池的能效。传统的电解质是氧化钇稳定氧化锆（YSZ）电解质,其工作温度需要达到1000℃才能具有良好的离子电导率。然而,电池的工作温度过高会导致电池研发成本过高、电极材料稳定性差以及单电池性能衰减严重等问题。因此,开发在中温或低温下具有高电导率的电解质材料显得尤为重要。本文制备了稀土、碱土元素双掺杂或多掺杂Ce O2基电解质并研究其结构、电导率和稳定性,评价其作为SOFC电解质材料的可行性。溶胶-凝胶法制备了Sm、Pr和Y共掺杂二氧化铈基PrxYxSm0.2-2xCe0.8O2-δ（x=0,0.025,0.05,0.075,简记为SDC,PYSC1,PYSC2和PYSC3）电解质粉体,研究了共掺杂对电解质的结构、氧空位和电性能的影响。XRD图谱表明,所有样品在较低的烧结温度下（600℃）形成了立方萤石结构。拉曼光谱表明,Sm、Pr、Y共掺杂有效提高了Ce O2晶格中的氧空位浓度。电化学交流阻抗谱表明,空气气氛下,800℃时,PYSC1电解质的总电导率最高,约为0.125 S cm-1,其电导率大约为同温下Ce0.8Sm0.2O2-δ电解质的1.3倍。750℃时,PYSC1电解质的电导率在60个小时内具有良好的稳定性。物理混合法制备了新型Ba Zr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ（BCZY）和PrxYxSm0.2-2xCe0.8O2-δ（x=0.025,0.05,）复合电解质（简记为P1B11,P1B73,P1B82,P1B91和P2B11,P2B73,P2B82,P2B91）。XRD表明,PYSC-BCZY复合电解质具有立方萤石和钙钛矿相两相。电化学交流阻抗谱表明:800℃时,P1B91复合电解质的总离子电导率最高,约为0.11 S cm-1。以P1B91复合电解质为单电池的功率密度高于PYSC1电池的功率密度,说明氧离子导体与质子导体电解质复合有效改善了单电池的性能。溶胶-凝胶法制备了Ce0.8Y0.2-xCaxO2-δ（x=0,0.05,0.1,0.15,0.2,简记为YDC,YCDC05,YCDC10,YCDC15,YCDC20）电解质粉体。XRD图谱表明,600℃煅烧4个小时后,电解质粉末均形成了立方萤石结构。拉曼光谱表明,YCDC05电解质的FWHM值和I570/I460值最高,分别为37.22和0.135。电化学交流阻抗谱表明:800℃时,YCDC05电解质的总离子电导率最高,约为0.1009 S cm-1,活化能最低（0.82e V）。YCDC05电解质的具有最高的晶界清除因子和最低的阻塞因子最小。YCDC05电解质的阻塞因子比YDC电解质的阻塞因子降低了51%,说明掺杂Ca2+能有效清除晶界杂质并提高晶界电导率和总电导率。
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