YSZ及YSZ/STO/YSZ三层电解质薄膜结构与电学性能研究

【摘要】固体氧化物燃料电池(SOFC)是一个对环境友好型的低污染能源转换装置,将燃料中的化学能直接转化为电能。决定SOFC性能的最主要因素是中低温下电解质材料离子电导率的大小,本文就降低电解质膜的厚度及构筑新型超晶格电解质薄膜材料以降低电池工作温度进行了详细研究。利用激光脉冲沉积技术在多孔NiO-YSZ阳极基底制备YSZ薄膜及MgO(110)单晶基底制备纳米级YSZ薄膜和YSZ/STO/YSZ三层超晶格电解质薄膜,采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)以及交流阻抗谱等对薄膜物相、结构、表面形貌以及电学性能等进行了表征分析。研究结果表明,基底温度在300-600℃时,沉积在多孔NiO-YSZ阳极基底的YSZ薄膜为立方萤石结构的多晶膜且薄膜为柱状结构生长,在(111)晶向上择优生长,电导率高于相同温度下的YSZ块状材料。沉积在MgO(110)单晶基底的YSZ薄膜,只出现(220)衍射峰,薄膜表面晶粒较细小,致密性较好,YSZ薄膜的活化能为0.68eV,薄膜的电导率高于块状材料电导率三个数量级,并且电导率随着薄膜厚度的减少在逐渐增大。YSZ/STO/YSZ三层超晶格电解质薄膜,中间夹层STO厚度不变的情况下,62nm厚的薄膜在MgO(110)单晶基底上出现YSZ(220)衍射峰,当厚度达到100nm以上,薄膜出现YSZ(111)衍射峰,而STO一直沿着(110)取向生长,超晶格电解质薄膜的电导率曲线在500℃时出现一个拐点,温度低于500℃,其活化能为0.64eV,温度高于500℃时,活化能为0.95eV,且电导率高于YSZ块状材料电导率3.3个数量级。从以上的研究结果可知,随着薄膜厚度的减少及薄膜层数的增加,超晶格电解质薄膜的离子电导率逐步增大。
【作者】刘文德；
【导师】丁铁柱；
【作者基本信息】内蒙古大学，物理电子学，2014，硕士
【关键词】脉冲激光沉积；固体氧化物燃料电池；YSZ/STO/YSZ薄膜；超晶格电解质薄膜；

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