BaZr0.7Sn0.1Y0.2O3-δ:一种新型稳定的质子导体电解质材料

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种可以高效地将化学能转换为电能的电化学装置。为了降低制备和运营成本,实现SOFC的商业化,降低工作温度(<700 °C)是目前SOFC领域的研究热点。与氧离子传导相比,质子传导的活化能要低很多,因此氧化物质子导体在中低温时仍具有很高的质子电导率。BaZrO3基质子导体具有优良的化学稳定性,即使在含很高浓度的CO2或H2O的气氛中仍可以保持结构稳定,是一种非常有希望的中低温电解质材料。然而,BaZrO3的烧结活性非常差,很难采用传统陶瓷工艺制备出多孔阳极支撑的致密BaZrO3基电解质薄膜,大大限制了其在质子导体基SOFC中的应用。

2009年以前,对BaZrO3基SOFC的研究都是采用电解质支撑的结构,由于电解质的欧姆电阻很大,单电池的性能都非常差,功率密度只有几毫瓦。从2009年开始,中国科学技术大学的刘卫教授研究组率先开展了阳极支撑的BaZrO3基SOFC的研究,并较早采用干压法(Dry Pressing)制备了阳极支撑的约20 μm厚的BaZr0.8Y0.2O3-δ (BZY)致密电解质薄膜,单电池在700°C时最高功率密度达到170 mWcm-2,这是当时采用传统陶瓷工艺制备的BaZrO3基SOFC的最高性能。最近,刘卫教授研究组对BZY进一步掺杂改性,开发了电导率更高的BaZr0.7Sn0.1Y0.2O3-δ (BZSY)质子导体(Adv. Energy Mater. DOI: 10.1002/aenm.201201062),并采用浆料涂覆法(Drop Coating)在1400 °C烧结后制备了高质量的BZSY致密电解质薄膜,相应的单电池输出了目前BaZrO3基SOFC的最好性能,最高功率密度在700 °C时达到360 mWcm-2,比之前文献报道的BaZrO3基SOFC的最高性能(254 mWcm-2, 700 °C) 提高了42%,这是BaZrO3基SOFC领域的一个很大突破。优异的电池性能说明BZSY是一种非常有应用前景的稳定的质子导体电解质材料。