[发明专利]一种超晶格电解质的制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种低温超晶格(SDC/YSZ)_N电解质的制备工艺，特别是指一种固体氧化物燃料电池电解质的制备工艺。

背景技术

电解质的导电性决定了燃料电池的工作温度，要使燃料电池有广泛的应用前景，就需要减小SOFC的工作温度，因此需要开发低温下离子电导率较高的新型电解质材料。传统的钇稳定氧化锆(YSZ)，化学性质稳定，是比较常见的一种氧离子导体。通过Y的掺杂，四价的Zr⁴⁺被三价的Y³⁺取代，从而产生较多的氧空位，使YSZ在较大的氧分压范围内，具有较高的离子电导率和可以忽略的电子电导，被广泛应用于SOFC。但是YSZ作为电解质时，燃料电池的工作温度需达到1000℃左右，才能有较好的性能。高温下电池的使用寿命大大缩短，增加了生产成本，从而限制了燃料电池的推广。

具有萤石结构的掺杂三价或四价阳离子的CeO₂，是较为理想的IT-SOFC电解质材料。Yahiro等和Steele通过研究碱土金属氧化物和稀土氧化物的掺杂对CeO₂电导率的影响，也发现在一系列的掺杂中，掺杂Gd₂O₃或Sm₂O₃的CeO₂具有最高电导率，在800℃以下，其电导率比YSZ电导率，高几倍到一个数量级。但是CeO₂基电解质材料在还原气氛中，或较低氧分压条件下，铈离子容易由四价(Ce⁴⁺)变为三价(Ce³⁺)使其电子电导增大，导致电池内部短路，电池性能急剧衰减，电池的开路电压降低，电池的功率输出减小，使电池机械性能下降。

A.Tsoga等发现界面处两相晶格失配引起位错应变，使氧空位浓度增加，为氧离子传输形成了更多的自由通道，使LaAlO₃/SrTiO₃多层膜结构的电导率明显增加。许多研究均报道了，由于界面效应会使由氧化物薄膜构成的异质结多层薄膜，产生一些特殊性能。多层异质结结构的薄膜已经被发现拥有超结构和功能特性，尤其是其离子电导率会相应增加。目前，Sata等人发现由CaF₂/BaF₂构成的两相多层薄膜结构，当保持多层薄膜的总厚度在20-100nm之间不变，异质结的界面数逐渐增加，每层膜的厚度逐渐减小时，氟离子的电导率相对于CaF₂和BaF₂的体材料会明显提高，其电导率的增加归因于空间电荷效应。Otsuka等人研究发现当增加错配密度时YSZ的离子电导率可以进一步被提高。Korteet al.设计YSZ/Y₂O₃两种多层膜结构在蓝宝石(0001)基底上，不同的材料选择是为了分别增加、减小YSZ层的应力，结果发现应力减小时薄膜的电导率减小。相反，增加界面处应力时，薄膜电导率也相应的增大。这些研究都证明了薄膜内部的和界面处的缺陷对于离子电导率的提高都有一定的促进作用。A.PrterS等发现，通过减小ZrO₂/CaO多层膜的厚度可使其电导率增加。这些研究表明内部的和界面之间的错配在提高离子电导率方面有重要的作用。国内外许多机构已经提出，在界面、电子相关性基础上建立新形式的耦合(电子基态相邻材料之间的耦合)，由于在氧化物界面电子可以有多种状态，各单层组份失去原有性能，可能会产生新的特性。这些复杂结构的钙钛矿氧化物有着相似的晶格参数，因此外延生长的界面结构比较完美。Ohtomo等提出的LaAlO₃/SrTiO₃(LAO/STO)异质结构，是金属状态在两个绝缘体之间的界面构成的异质结结构。在异质结结构界面结合材料和不同程度的晶格失配可以促进离子扩散系数。因此，这些异质结结构可能在优化材料电化学设备的低功率能量生成和存储方面发挥重要作用。特别是，在氧化物界面增强氧离子导电性，可以使SOFC的操作温度降低。新型的电解质需要有较高的离子电导率，同时电极材料要有较高的氧离子迁移率。由于离子运输在纳米材料中可以得到优化，因此纳米技术将对下一代燃料电池有很大影响。

发明内容