晶格應變對固體氧化物燃料電池性能的影響

晶格應變對固體氧化物燃料電池性能的影響

質子傳導氧化物在過去幾十年被認為有潛力將固體氧化物電池的工作溫度降低到適度的中間溫度。降低工作溫度可以改善固體氧化物燃料電池的化學和機械結構，并能減少制造成本。對于電解質層，通常質子傳導固體氧化物燃料電池使用的混合物摻雜鈣鎢化合物，化學組成是ABO3（A=Ca、Sr、Ba;B=Ce、Zr）。通過化學方法對A、B位點進行摻雜時，摻雜物的溶解性很低，離子導電性沒有較大的改善，說明通過采用摻雜的方法增加氧空位濃度被證明是是一種效率很低的方法。

近年來通過物理方法，根據晶格應力效應改善材料的離子導電性比較熱門，主要集中于對電解質和陰極材料的研究，研究表明，晶格應力效應可以改善氧離子導體的輸送性能。研究表明，氟石結構氧離子導體在應力狀態下，離子傳導系數增加104～106。通過反應分子動力學方法研究表明，摻釔的BaZrO3材料的質子傳導性在雙向應力下可以輕微改善質子的擴散能力。

通過計算研究了雙向應力對LaNbO4的摻雜溶解性、水化能、質子遷移的影響。另外，研究了通過機械應力來調節固體薄膜裝置的功能。拉應力可以改善Ca2+摻雜劑的溶解度，并增加氧空位濃度使更多的質子融入到結構體內，水化能減少可以增加吸收質子的能力。拉應力使結構中2個最穩定的質子間結構減弱，甚至被占據。由于壓應力和拉應力有相反的作用，會使摻雜物的溶解度下降，因此要降低材料的各向異性。

刊名：Royal Society of Chemistry（英）

刊期：2016年第18期

作者：Chiara Ferrara

編譯：田甜