LaAlO3基电解质材料的制备及其性能研究

论文摘要

钙钛矿结构的LaAl03体系,具有稳定的晶体结构、良好的机械性能以及相对低廉的成本,在低氧分压下为纯氧离子导体,是一种具有良好效益的候选电解质材料。本文将探索LaAl03基电解质材料的制备工艺以优化材料的显微结构,并探讨显微结构对电性能的影响；研究LaAl03基电解质材料与阳极材料的化学相容性,寻求与之具有良好化学相容性的阳极材料,并进行单电池的性能测试。采用EDTA-甘氨酸联合法（EGCP）合成具有钙钛矿结构的La0.90Sr0.10Al0.97Mg0.03O3-δ （LSAM）粉体。利用TG-DSC、 XRD、ICP-OES、TEM和APS对粉体的性能进行表征,结果表明在750℃下可合成具有钙钛矿结构的LSAM粉,由无定形结构直接转化而成；经1000℃/3 h煅烧的粉体,TEM和APS测得的平均粒径和D50分别为77.2 nm和136 nm。该法合成的粉体具有精确的化学计量比、良好的烧结性能,初始烧结温度为1000℃,1600℃/5 h的烧结体的相对线收缩率为20.5%,对应的相对密度为96%。研究组成、制备工艺和烧结制度对LaAl03基电解质材料显微结构及其电性能的影响。研究表明：Sr掺量的增加一定程度上促进材料的烧结并改善电性能,但超过其溶解度极限时会生成第二相而导致电性能的下降；EGCP合成的粉体可优化材料的显微结构并改善其电性能,EGCP制备的LSAM电解质在800℃时的总电导率为1.53× 10-2 Scm-1,比固相法的高约50%；提高烧结温度和延长保温时间,在有限的范围内促进材料的致密化,优化显微结构,从而改善其电性能。以具有析晶性能的Ca-Al-La-Si玻璃作为烧结助剂,研究液相烧结对LaAlO3基电解质材料显微结构和电性能的影响。玻璃高温液相与LSAM颗粒具有良好的润湿性能,其最佳晶化温度为1100℃,析出氧离子导电的La9.333+xSi6O26+1.5x。烧结助剂的引入显著地提高材料的致密度并优化显微结构,经1500℃/2 h烧结后掺量为1%的材料的相对密度为96.2%。由于绝缘相的存在,液相烧结未能改善材料的电性能,800℃时,掺量为1%的样品的总电导率为6.60×10-Scm-1。对LSAM电解质与Ni-GDC、SY T和LSCM阳极材料的化学相容性进行研究。研究表明,SYT和LSCM与LSAM的化学相容性欠佳,阳离子的相互扩散作用显著；Ni-GDC与LSAM具有良好的化学相容性,1300℃下阳离子的相互扩散作用极小,800℃时Ni-GDC的ASRp值为5.12 Ωcm2; GDC中间层可改善阳极与电解质之间的界面结合,降低界面的极化电阻,800℃时对应的ASRp值为1.67Ωcm2。 LSAM电解质（500 μm厚）支撑的Ni-GDC/GDC/LSAM/GDC/LSF单电池,在800℃时,开路电压为0.925 V,最大功率密度为19.5mWcm-2。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 燃料电池的发展
• 1.3 固体氧化物燃料电池的特点和现状
• 1.3.1 固体氧化物燃料电池的特点
• 1.3.2 固体氧化物燃料电池的研究现状
• 1.4 固体氧化物燃料电池的结构
• 1.5 固体氧化物燃料电池的工作原理
• 1.6 固体氧化物燃料电池的电解质
• 1.6.1 萤石结构电解质
• 1.6.2 钙钛矿结构电解质
• 1.7 铝酸镧基电解质材料
• 1.7.1 铝酸镧基电解质材料的晶体结构
• 1.7.2 铝酸镧基电解质材料的氧离子导电机制
• 1.7.3 铝酸镧基电解质材料粉体的制备方法
• 1.7.4 铝酸镧基电解质材料的成型与烧结
• 1.7.5 铝酸镧基电解质材料的性能研究
• 1.8 本课题研究的目的和意义
• 3基电解质粉体的制备及性能研究'>第二章 LaAlO₃基电解质粉体的制备及性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 粉体的制备
• 2.2.2 粉体性能的表征
• 2.3 粉体前驱体的热分析
• 2.4 物相及组分分析
• 2.5 粉体的粒度及形貌分析
• 2.6 烧结性能
• 2.7 本章小结
• 3基电解质的显微结构与电性能研究'>第三章 LaAlO₃基电解质的显微结构与电性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 样品的制备
• 3.2.2 样品的表征
• 3.3 XRD物相分析
• 3.4 样品致密度的分析
• 3.4.1 粉体的制备方法对致密度的影响
• 3.4.2 烧结条件对致密度的影响
• 3.4.3 掺杂对致密度的影响
• 3.5 样品显微结构分析
• 3.5.1 粉体制备方法对显微结构的影响
• 3.5.2 烧结条件对显微结构的影响
• 3.5.3 不同掺杂样品的显微结构
• 3.6 电性能的研究
• 3.6.1 粉体制备方法对材料电导率的影响
• 3.6.2 掺杂对电解质电导率的影响
• 3.6.3 固体电解质电导率与测试温度的关系
• 3.6.4 固体电解质电导率与烧结温度的关系
• 3.6.5 固体电解质电导率与保温时间的关系
• 3.7 本章小结
• 3基电解质显微结构及电性能的影响'>第四章 液相烧结对LaAlO₃基电解质显微结构及电性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 材料的制备及物相表征
• 4.2.2 玻璃析晶温度的测定
• 4.2.3 电导率的测定及显微结构观察
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 玻璃粉的分析
• 4.3.2 晶化玻璃的物相分析
• 4.3.3 烧结后样品的物相分析
• 4.3.4 样品的显微结构分析
• 4.3.5 电性能分析
• 4.4 本章小结
• 3基电解质与阳极材料的化学相容性研究'>第五章 LaAlO₃基电解质与阳极材料的化学相容性研究
• 5.1 引言
• 5.2 样品的制备
• 5.2.1 粉体的制备
• 5.2.2 样品的成型与烧结
• 5.2.3 单电池的制备
• 5.3 样品的表征
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 化学相容性
• 5.4.2 对称电池的显微结构
• 5.4.3 对称电池的电化学性能
• 5.4.4 GDC中间层对对称电池电化学性能的影响
• 5.4.5 单电池的性能
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文