Li2O作为掺杂氧化铈基材料助烧剂的研究

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固体氧化物燃料电池(SOFCs)以其高效、环境友好及燃料多样化吸引了研究者的目光。但SOFCs高的操作温度也引发了诸如电解质与电极界面间的化学扩散,电池材料的衰减以及金属连接材料的腐蚀等问题。因而SOFCs中温化成为研究热点,而寻找在500℃700℃的温度范围内有足够离子电导的新型电解质材料是方向之一。钐掺杂的氧化铈(SDC)因其中温范围内高的离子电导,低活化能以及室温到熔点下稳定存在的萤石结构而成为最具希望的新型电解质。但SDC烧结活性过低,过高的烧结温度使其无法与电极材料共烧结。因此,提高烧结性能,降低烧结温度是SDC实现应用的一个关键。本文采用共沉淀法制备Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)粉体,研究加入Li2O后SDC烧结性能、电导率以及电化学性能的变化关系,评估Li2O作为SDC助烧剂的可行性并探究了Li2O的烧结机理。实验结果表明,将Li2O加入SDC中,可以使得SDC的烧结温度从1500℃降低到900℃。在900℃下烧结6h后:加入2mol%氧化锂的SDC(记作SDC2)的致密度可达99%以上,而加入3mol%氧化锂的SDC(SDC3)在空气气氛中于650℃下测试的电导率是0.026S·cm-1,与未加氧化锂的SDC(SDC0)在1500℃烧结24h后测试的电导率0.027S·cm-1相当。加入SDC2的烧结过程由是晶界扩散控制,900℃时晶界扩散速率由未添加助烧剂的9.8×10-19m3·N-1·s-1提高到4.2×10-17m3·N-1·s-1,提高将近两个数量级,这是由于存在于SDC晶界中的液态氧化锂提高了SDC扩散通量。经计算其烧结活化能是5.5±0.5eV,而SDC0的活化能为4.70±0.32eV,前者高的原因可能是因为烧结过程中氧化锂在SDC颗粒的晶界处出现熔融态。以加入2mol%氧化锂的SDC为电解质,于600℃下在SOFC的工作气氛中测试,稳定后的开路电压为0.78V,略小于SDC0作为电解质时的0.83V的开路电压,这是由于Li2O被氢气还原为金属Li降低了O2-的迁移数。用丝网印刷制备了SDC2中间层,由于其高的烧结速率,而导致两侧应力的积累从而出现了微裂纹。
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