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燃料電(dian)池可以將(jiang)化學能直接轉化為(wei)電(dian)能，是一種先進的能量轉(zhuan)換技術，它具有(you)高效(xiao)率(lv)、低排放、噪音小等顯著優點。根據電解質材料類型的(de)不同(tong)，燃料電池有很多種。其中，固體(ti)氧(yang)化物燃(ran)料電(dian)池(chi)（SOFC）是一種新(xin)興的能源系(xi)統(tong)，被稱為第三代燃料電池(chi)，其采用陶瓷電解(jie)質，具(ju)有(you)燃料適用范圍廣(guang)、余熱利用(yong)高(gao)，成本低(di)等獨特的優勢，被(bei)視為21世紀綠色(se)能源的(de)最佳方案之一。其中固體電解質作為(wei)SOFC的關鍵部件，起(qi)著非常重要的作用(yong)。本文就當前主要的固體電解質進行(xing)簡要敘述。

固態氧化物燃料電(dian)池(chi)

一、固體電解(jie)質性(xing)能要(yao)求

電(dian)解質作(zuo)為核心部(bu)件(jian)，其主要(yao)作用是傳導(dao)離子，在陰極和(he)陽極間(jian)形成導(dao)電(dian)通路(lu)。固體(ti)(ti)氧化物燃料(liao)電(dian)池對電(dian)解質的要(yao)求是比(bi)較高的，一般(ban)應具備如(ru)下的特(te)征：

固體電解(jie)質性能(neng)要(yao)求(qiu)

二(er)、固體(ti)電解質(zhi)大盤點(dian)

螢(ying)石型氧(yang)化(hua)物是目前SOFC中應用最廣泛的電解質材料，可(ke)作為SOFC電解質的螢石結構材料主要有ZrO₂基、CeO₂基、和Bi₂O₃基固體電解質。此外，鉬酸鑭（LAMOX）系和具有離子和電(dian)(dian)子混合(he)導電(dian)(dian)性的鈣鈦(tai)礦型氧(yang)化物電(dian)(dian)解質也(ye)是SOFC中研究較多的電解質材料。

固(gu)體電解質(zhi)大盤點(dian)

（1）螢石型氧化物電解質

螢石結構氧(yang)化物(wu)是(shi)由(you)陰(yin)離子構成的簡單立方點陣處(chu)于按(an)面心立方密堆積的陽離子晶格(ge)內，陰離子占據全部四面體空隙，而全部(bu)的八面體(ti)空隙空著(zhu)，這種(zhong)結構為氧離子(zi)在晶(jing)格中擴散提供了(le)傳輸通道。主要種(zhong)類有ZrO₂基電解(jie)質、CeO₂基電解質和(he)Bi₂O₃基(ji)電解質材料。

各電解質晶體結構

1、氧(yang)化鋯（ZrO₂）基電解質(zhi)

ZrO₂基固體電解質(zhi)是最早研究的SOFC電解質之一，也是目前高溫SOFC中應用最多的一種電解質材料。純ZrO₂一方(fang)面(mian)由(you)于其氧離子導電率很低，與電(dian)解質材料(liao)的要求不符；另一個方面是其在相(xiang)轉變(bian)過程會引起較大的(de)體積變(bian)化，導致基體開(kai)裂，電池工作(zuo)壽(shou)命縮短(duan)。因此，常(chang)通過低價氧化物的摻雜作(zuo)為解(jie)決方法。Y₂O₃是(shi)ZrO₂基固體電解(jie)質最常用的摻雜劑，也(ye)是(shi)HT-SOFC中應用最(zui)廣的固體電解(jie)質材料。但ZrO₂基(ji)電解(jie)質存在的主要問(wen)題(ti)是隨著(zhu)溫(wen)度的降低，其電導(dao)率逐漸(jian)減小，從而限(xian)制了其在中溫固體氧化物燃料電池中的應用。

2、氧(yang)化鈰（CeO₂）基電解質(zhi)

CeO₂也是一種螢石結(jie)構的陶(tao)瓷材料，可(ke)以(yi)在500～700℃的(de)溫度范圍(wei)內(nei)穩定(ding)工作。但CeO₂基材(cai)料(liao)的缺點是離子導(dao)電性(xing)范圍較(jiao)窄，在還原氣氛下Ce⁴⁺部分將被還原為Ce³⁺，而(er)產(chan)生(sheng)電子(zi)電導(dao)率，同(tong)時在Ce⁴⁺離子還原為Ce³⁺中的過程中，離子(zi)半(ban)徑也(ye)會增大，晶(jing)格膨(peng)脹會影響電池的性能。目前，解決這個問題(ti)是在摻(chan)雜(za)CeO₂電解質的(de)陽極或者陰(yin)極側添加一(yi)個(ge)純氧離子導體阻隔層。

不同摻雜量下CeO₂電(dian)解質表面形貌圖

3、氧化鉍（Bi₂O₃）基電解(jie)質(zhi)

氧化鉍常見的晶型有四種(zhong)，分別為：α-Bi₂O₃（單斜）、β-Bi₂O₃（四方）、γ-Bi₂O₃（體心立方）、δ-Bi₂O₃（面心立方），它們(men)存在著下圖(tu)關(guan)系(xi)。在各種固體電解質材料(liao)中，Bi₂O₃基電解質材料具有(you)最高的離子導(dao)電性，且與ZrO₂電解質(zhi)相比，與電極之間(jian)的界面電阻更小。但是在電池(chi)工(gong)作中，它們在還原(yuan)氣(qi)氛(fen)下被(bei)還原(yuan)成Bi金屬的趨勢以及在中溫區間，Bi₂O₃的(de)揮(hui)發造(zao)成的(de)腐蝕和(he)機(ji)械強(qiang)度的(de)降(jiang)低限制了它的(de)實用性。另外，摻雜的Bi₂O₃基(ji)電解質材料在低(di)于700℃時，呈(cheng)熱力學不穩(wen)定狀態，經(jing)長時間退火(huo)后，會有立方(fang)(fang)菱方(fang)(fang)相變出現，導致導電性能很差(cha)等缺點。

Bi₂O₃晶型隨溫度轉變關系圖

（2）鈣鈦礦結構的氧化物電解質

鈣鈦礦結構（ABO₃）氧(yang)化物具(ju)有離(li)子－電子的混合導(dao)電性(xing)，是性(xing)能(neng)良(liang)好的電解(jie)質(zhi)材料(liao)。LaBO_3（B=A1、Sc、Ga、Y等）鈣鈦礦在中(zhong)(zhong)溫下(xia)表(biao)現出高氧(yang)離子導電性，其中(zhong)(zhong)，LaGaO₃基固體氧(yang)化物(wu)是研究最多的鈣鈦礦氧(yang)化物(wu)電解質。同時，Sr和Mg共摻雜的高離子電導率La_1-xSr_xGa_1-yMg_yO_3-δ（LSGM）電(dian)解(jie)質，是SOFC鈣鈦礦型氧化物電(dian)解(jie)質中研究最多的(de)一(yi)種(zhong)。然而，鎵氧化(hua)物成本高，不能大量(liang)使用；LSGM很難致(zhi)密化、很容易(yi)與金屬陽極發生反應(ying)，所以它在SOFC中的應用并不多。

鈣鈦礦結(jie)構(gou)圖(tu)

（3）LAMOX系電解質

在2000年，隨(sui)著Lacprre的LPS理論的提出，一種新的(de)氧離(li)子導體（La₂Mo₂O_9）走進了人(ren)們的(de)視野，成(cheng)為了中溫條件下(xia)具有較高電導率的氧離子導體(ti)。同(tong)時，相同(tong)條(tiao)件下高于(yu)YSZ的電導率。但其缺(que)點在于580℃時，會有結構相變，解決此問題的方法(fa)是(shi)在(zai)La位與Mo位進行(xing)摻雜可抑制相(xiang)變(bian)，此電解(jie)質另一個需要(yao)改進(jin)的(de)問(wen)題(ti)是(shi)這種電解(jie)質材料易與(yu)電極發生化(hua)學(xue)反應。

β-La₂Mo₂O₉晶體結構示意圖

總結

固體(ti)電解質是SOFC的核心部件，目前研究較多的ZrO₂基電解質(zhi)、CeO₂基(ji)電解質和Bi₂O₃基(ji)電解(jie)質均為螢石結構的固體(ti)電解(jie)質。其中CeO₂基電解質在低溫(wen)下具(ju)有較高的(de)離(li)子電導率，但容易被還原(yuan)，引入電子電導，從而降低能量轉化效(xiao)率。Bi₂O₃基電解質(zhi)有最高的離子(zi)電導率，但(dan)是穩(wen)定性較差(cha)，至今沒(mei)有得到廣泛應用。具(ju)有鈣鈦礦(kuang)結構的LSGM電解質在低溫時具有較高的氧離子電導率，是目前綜合性能較好的一種低(di)溫電解質材料。La₂Mo₂O₉電解質在580℃有結構相變，并且其(qi)易與電極發生(sheng)反應限制了它的發展。

固體電解(jie)質在SOFC的低溫(wen)化(hua)發(fa)展(zhan)中至關重要，摻雜改進現有電解質是增大氧(yang)空位(wei)濃度﹑提(ti)(ti)高(gao)離子(zi)電(dian)導率、降低電(dian)池工作溫度的(de)常見方法。目前電(dian)解(jie)質(zhi)的(de)研(yan)究仍然處于早(zao)期的(de)發(fa)展階段，所需要解(jie)決的(de)主要問題(ti)是提(ti)(ti)高(gao)電(dian)解(jie)質(zhi)材料離子(zi)電(dian)導率，同時提(ti)(ti)高(gao)化(hua)學穩定(ding)性，避免被(bei)還原。

參考來源(yuan)：

1、固(gu)體氧化物燃(ran)料(liao)電(dian)池電(dian)解質材料(liao)的(de)研究進展  尚鳳杰等

2、固體氧化物燃料(liao)電池電解質材料(liao)的(de)研究 李靜等(deng)

3、氧化鈧(kang)和氧化鏑摻雜CeO₂基電解質材料制(zhi)備及性能研究 薛優

4、多晶型(xing)氧化鉍的(de)可控制備及其對YSZ燒結性能的(de)影響  賈堡(bao)馨(xin)

作者：晴(qing)天

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