CeO2基電解質(zhì)薄膜的制備及性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SolidOxideFuelCells，SOFCs)是一種直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的高效發(fā)電裝置，其發(fā)展趨勢(shì)是運(yùn)行溫度中低溫化以降低成本、實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。電池工作溫度降低會(huì)引起電解質(zhì)歐姆阻抗和電極極化阻抗增大的問(wèn)題，從而降低電池的工作效率，解決上述問(wèn)題是發(fā)展中低溫SOFCs的前提和基礎(chǔ)。其中降低電解質(zhì)的歐姆阻抗問(wèn)題主要通過(guò)以下兩個(gè)途徑實(shí)現(xiàn):一是將電解質(zhì)材料薄膜化，二是采用中低溫下具有高氧離子電導(dǎo)率等優(yōu)異性能的新型電解質(zhì)

2、材料。目前研究表明，400-700℃溫度下，摻雜濃度為10％-20％左右的Sm2O3摻雜的CeO2電解質(zhì)具有較高離子電導(dǎo)率，SDC是極具應(yīng)用潛力的中低溫SOFC電解質(zhì)材料。
　　本文選定Sm0.2Ce0.8O2-δ為對(duì)象，研究不同的制備工藝對(duì)材料相組成、結(jié)構(gòu)和電性能的影響，探討摻雜元素的種類和含量對(duì)材料組成、晶體結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性能的影響，并采用脈沖激光沉積(PLD)技術(shù)制備SDC電解質(zhì)薄膜，并通過(guò)對(duì)一系列工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)和控制，研究影響

3、薄膜性能的主要因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:
　　1.分別使用固相反應(yīng)法、溶膠-凝膠法和共沉淀法制備了Sm0.2Ce0.8O2-δ粉體，XRD分析表明合成的SDC為單相立方螢石結(jié)構(gòu)。三種方法制備的SDC中，共沉淀法制備的粉體粒徑最小，為0.91μm，比表面積最大，為3.60m2/g，其粉體活性最高，在相同燒結(jié)溫度下更容易致密。共沉淀法所需的燒結(jié)溫度最低，在1250℃燒結(jié)得到的SDC達(dá)到97％的致密度。中低溫階段，共沉淀法、溶膠-凝膠法和固相

4、法制備SDC的離子電導(dǎo)率在800℃時(shí)分別為0.052Scm-1、0.046Scm-1和0.043Scm-1，三種方法制備的SDC熱膨脹率接近。上述結(jié)果表明，共沉淀法制各的SDC在較低溫度下能致密化且具備良好的電化學(xué)性能。
　　2.使用GNP法合成Sm0.2Ce0.8-xMxO2-δ(M=Fe，Co，Ni)(x=0.005-0.02)，研究摻雜過(guò)渡族元素對(duì)SDC電解質(zhì)材料的影響。XRD分析表明摻雜的Fe3+、Co2+、Ni2+部分取

5、代了Ce4+的位置，沒有改變立方螢石結(jié)構(gòu)。致密度結(jié)果顯示三種元素?fù)诫s不同程度提高SDC燒結(jié)致密性，在相同燒結(jié)溫度，摻雜量為1mol.％的樣品的致密度在不同摻雜量中均為最高。隨著摻雜元素含量的增大，試樣的熱膨脹系數(shù)增大。摻雜量1mol.％Fe3+的SDC在1350℃燒結(jié)后致密度達(dá)到97.2％，離子電導(dǎo)率最好，800℃最大電導(dǎo)率達(dá)到0.063Scm-1，活化能為0.73eV。
　　3.電解質(zhì)SDC的薄膜化，探索使用PLD沉積的工藝參數(shù)

6、和熱處理溫度對(duì)薄膜形貌、致密度以及電學(xué)性能的影響。薄膜XRD圖譜與標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片對(duì)比顯示沒有雜峰，制備的薄膜符合需要。隨著襯底溫度的升高，孔洞越來(lái)越少，致密度越好。同一沉積溫度下隨熱處理溫度越高，薄膜表面更致密，組織更均勻。在沉積過(guò)程中要控制襯底溫度，一般650-700℃為宜，后期熱處理溫度900-1100℃為宜。對(duì)薄膜電化學(xué)性能分析，沉積溫度650℃后1100℃熱處理2h后的薄膜有最好的電化學(xué)性能，電導(dǎo)率達(dá)到0.075Scm-1，活化