CeO_2基固体电解质的低温燃烧合成及性能研究

【摘要】： CeO_2基固体电解质由于具有比ZrO_2基固体电解质更高的离子电导率、很好的电极相容性而成为最有应用前景的中温固体电解质材料。但CeO_2基电解质材料要达到商业化应用还存在一些不足。其一,CeO_2基电解质材料难以致密化,用常规的固态反应法制备的CeO_2基电解质粉体需要在1600℃以上烧结才能达到致密化;其二,CeO_2基电解质为脆性材料,机械强度低,使其容易在电池的制造及运行过程中由于热应力及机械应力而破裂;其三,CeO_2基电解质在燃料极一侧由于Ce4+还原为Ce3+出现电子导电,降低电池的输出电压和输出功率,影响电池的性能。但在500~600℃温度范围,由于Ce4+还原为Ce3+出现的电子电导并不会对CeO_2基电解质在操作环境下的使用构成影响,且提高CeO_2基电解质的离子电导率可以抑制电子电导,因此有必要提高CeO_2固体基电解质在中、低温范围内的离子电导率。针对以上的不足,本论文主要从以下几个方面进行系统的研究: 以柠檬酸为还原剂和配合剂,金属硝酸盐为氧化剂,利用溶胶-凝胶低温燃烧合成工艺制备了Ce_(0.8)Y_(0.2)O_(1.9)电解质粉体。研究了前驱体溶液的pH值、柠檬酸与金属离子的摩尔比(nCA/nMn+)对柠檬酸与金属离子络合的影响及硝酸盐(氧化剂)与柠檬酸的比值(φ)对燃烧反应过程、燃烧产物性能及电解质的离子电导率的影响。前驱体溶液的pH=6~8, nCA/nMn+ 1.25时,柠檬酸电离较完全,与稀土金属离子(RE3+)形成环状双齿或三齿配合物,获得均匀透明的溶胶,溶胶在加热凝胶化过程中一直保持稳定,干凝胶中没有金属硝酸盐和氢氧化物沉淀存在。在燃烧反应过程中,在贫燃料的情况下(φ=1.5),燃烧反应在几秒钟内迅速完成,反应过程中放出大量的气体阻止了颗粒之间的团聚,获得了粒度均匀、分散性好、平均粒度约为40nm的超微粉体。粉体具有很好的成型性能及烧结性能,在1350℃保温4h,可以得到平均晶粒尺寸为0.46μm,相对密度大于95%的烧结体,相对于常用固态反应法,烧结温度约降低了200℃。烧结体具有高的离子电导率和低的电导活化能,在700℃烧结体的离子电导率为0.034S·cm-1,电导活化能为0.85eV。 利用低温燃烧合成方法制备了Ce1-xYxO_2-x/2纳米粉体,研究Y3+的掺杂浓度对CeO_2的烧结行为、离子电导率及抗弯强度的影响,并对Y3+掺杂CeO_2基电解质的晶粒及晶界电导率与Y3+的掺杂浓度的关系进行研究。Raman光谱结果表明,Y3+在CeO_2中的溶解极限在30~35mol%之间。在溶解极限范围内,Ce1-xYxO_2-x/2的晶格常数随Y3+掺杂浓度的增加而减少,Ce1-xYxO_2-x/2的晶格常数与Y3+掺杂浓度之间的关系不符合线性关系。Y3+的掺杂抑制了CeO_2的致密化及晶粒长大,Ce1-xYxO_2-x/2的烧结密度及平均晶粒尺寸随掺杂浓度的增加而减少。Ce1-xYxO_2-x/2的晶粒及晶界电导率随Y3+的掺杂浓度的增加表现出不同的变化趋势,晶粒电导率随Y3+掺杂浓度的增加而减少,晶界电导率随Y3+掺杂浓度的增加先增大再减小。Ce1-xYxO2-x/2的总电导率主要受晶界的导电过程控制,和晶界电导率表现相同的趋势。Ce1-xYxO2-x/2的抗弯强度随Y3+掺杂浓度的增加先增大再减少,掺杂浓度为10mol%时达到最大,为165MPa,在掺杂浓度范围,烧结体的断裂方式都表现为穿晶断裂。 首次利用低温燃烧合成方法制备了Al_2O_3/Ce_(0.8)Y_(0.2)O_(1.9)复合电解质材料,研究了Al_2O_3的掺杂浓度对CeO2基固体电解质的致密化行为和Ce_(0.8)Y_(0.2)O_(1.9)电解质的抗弯强度的影响,探讨Al_2O_3的掺杂浓度对CeO2基电解质的总离子电导率和离子电导活化能及电解质的晶粒和晶界电导率和电导活化能的影响,并对其影响机理进行了分析。背散射电子像表明,Al_2O_3在Ce_(0.8)Y_(0.2)O_(1.9)中的溶解极限在0.5~1mol%之间,在溶解极限范围内,由于Al3+的小尺寸效应,Al_2O_3促进了Ce_(0.8)Y_(0.2)O_(1.9)的烧结。Al_2O_3的掺杂浓度超过其在Ce_(0.8)Y_(0.2)O_(1.9)中的溶解极限时,没有固溶到基体相中的Al_2O_3在晶界偏聚,增大了晶粒长大活化能,阻碍了烧结体致密化的进行和晶粒长大。未掺杂Al_2O_3和Al_2O_3的掺杂浓度为10mol%时,Ce_(0.8)Y_(0.2)O_(1.9)电解质的晶粒长大活化能分别为386KJ/mol和490KJ/mol。Al_2O_3高的弹性模量及Al_2O_3和基体相的晶格常数和膨胀系数不匹配产生的压应力使裂纹产生偏转,以及弥散Al_2O_3颗粒的强化作用,使Al_2O_3/Ce_(0.8)Y_(0.2)O_(1.9)的抗弯强度随Al_2O_3的掺杂浓度的增加而增大,Al_2O_3的掺杂浓度为10mol%时,电解质的抗弯强度达到270MPa,和Ce_(0.8)Y_(0.2)O_(1.9)的121MPa相比提高了1倍。在Al_2O_3的溶解极限范围内,Al_2O_3使晶粒及晶界电阻增加,Ce_(0.8)Y_(0.2)O_(1.9)电解质的电导率减小;Al_2O_3的掺杂浓度超过其在Ce_(0.8)Y_(0.2)O_(1.9)的溶解极限时,Al_2O_3颗粒在晶界聚集,晶粒电阻基本不变,由于Al_2O_3的晶界清洁作用,晶界电阻减小,Ce_(0.8)Y_(0.2)O_(1.9)电解质的电导率略有增加,掺杂浓度为2mol%时达到最大值;Al_2O_3的掺杂浓度在2~5mol%之间时,由于Al_2O_3颗粒在晶界均匀分布且颗粒尺寸只有几百个纳米,晶界电阻基本不变,Ce_(0.8)Y_(0.2)O_(1.9)电解质的电导率变化不大,当Al_2O_3掺杂的掺杂浓度为10mol%时,由于Al_2O_3的阻塞效应,晶界电阻急剧增大,离子电导率急剧下降。在Al_2O_3的溶解极限范围内,Al_2O_3使电解质的晶粒及晶界的电导活化能增大; Al_2O_3的掺杂量超过其在Ce_(0.8)Y_(0.2)O_(1.9)中的溶解极限时,Al_2O_3在晶界聚集,对晶粒的电导活化能没有影响,在晶界聚集的Al_2O_3颗粒只是减少晶界的有效传导氧空位的面积,并没有改变晶界的导电机制,晶界电导活化能不随Al_2O_3掺杂浓度的增加而变化。 首次利用低温燃烧合成法制备了稀土和碱土金属离子共掺杂的Ce_(0.8+x)Y_(0.2-2x)Ca_xO_(1.9)固溶体,研究了多掺杂对电解质的总离子电导率的影响,探讨了多掺杂对电解质的晶粒和晶界电阻及电导活化能的影响。Ce_(0.8+x)Y_(0.2-2x)Ca_xO_(1.9)粉体具有很好的烧结活性,粉体的烧结密度随Ca2+掺杂浓度的增加而增大,在1350℃保温4h相对密度达到95%以上。烧结体的平均晶粒尺寸随Ca2+掺杂浓度的增加先增大,掺杂浓度为5mol%时达到最大值,平均晶粒尺寸为4.25μm,随Ca2+掺杂浓度的继续增大,平均晶粒尺寸开始下降,掺杂浓度为10mol%时,平均晶粒尺寸为0.8μm。在300~700℃温度范围,双掺杂CeO2基电解质比单掺杂CeO2基电解质具有更高的离子电导率和更低的电导活化能。组成成分为Ce0.85Y0.1Ca0.05O1.9的电解质具有最高的离子电导率和最低的电导活化能, 600℃时离子电导率为0.0192S?cm-1,与Ce_(0.8)Y_(0.2)O_(1.9)相比提高了49%,电导活化能为0.8eV。多掺杂对晶界电导率及电导活化能的影响比对晶粒的影响显著,晶粒电导活化能和电导率与多掺杂关系不大,晶界电导活化能随Ca2+掺杂的浓度的增加先减小再增大,掺杂浓度为5mol%时最小,为0.82eV,比单掺杂的晶界电导活化能都低,晶界电导率显示相反的变化趋势。