（4）電解質材料應于電極元件材料具有良好的熱膨脹匹配性，避免電池本身發生開裂、脫落及接觸不良等問題。

圖 SOFC工作原理，圖源Bosch

目前，滿足上述幾點要求的電解質材料主要包括氧化鋯基電解質、氧化鈰電解質、氧化鉍電解質和鈣鈦礦型電解質。歡迎大家識別二維碼，并通過公眾號二維碼加入艾邦固體燃料電池SOFC產業微信群和通訊錄。

1、氧化鋯基電解質

氧化鋯基電解質是被最早研究的電解質材料，因其具有非常優異的化學穩定性和良好的離子導電性，是目前SOFC中最成熟和應用最多的電解質材料。在目前商業化的SOFC系統中，氧化釔穩定氧化鋯(YSZ)陶瓷是綜合性能最好、應用前景最廣闊的氧化鋯基電解質。因為YSZ電解質在高溫下具有較高的電導率(在1000℃時電導率可達到0.1S/cm)，同時在較寬的氧分壓范圍內依舊可以保持高的電導率，同時擁有良好的化學穩定性和機械強度。

圖 氧化鋯晶體結構

氧化鋯存在3種不同的晶相結構，分別是室溫條件下的單斜晶相（m-ZrO2）、1170℃以上條件下的四方晶相(t-ZrO2)和2370℃以上條件下的立方相(c-ZrO2)。純ZrO2一般是無法用作電解質材料，一方面是因為在室溫下屬于單斜結構，對稱性差，不利于氧離子在晶格中的遷移，導致電導率很低。而當 ZrO2具有立方相結構，由于該結構屬于螢石型結構，陽離子Zr4+呈面心立方排列，陰離子O2-占據所有的四面體空隙，從而晶體中存在有大量的八面體空隙，該空隙空間大且對分布，有利于氧離子的遷移，從而使得立方相的ZrO2在氧化鋯的三種晶型中具有最高的導電率，滿足SOFC電解質的電學性能要求。

圖 YSZ螢石結構

2、氧化鈰電解質

氧化鈰(CeO2)陶瓷也具有螢石型立方相結構，且可以在室溫到其熔點(2400°C)很寬的溫度范圍內穩定存在，但純CeO2陶瓷存在離子導電和電子導電兩種模式，不滿足SOFC電解質的離子導電要求。

圖 CeO2晶體結構

研究發現，摻雜低價金屬離子可以幫助提高CeO2陶瓷的離子電導率，并且在中低溫度下仍能保持較高的電導率。目前，主要的氧化鈰基陶瓷包括 Ge2O3摻雜 CeO2(GDC)、Sm2O3摻雜CeO2(SDC)和Y2O3摻雜 CeO2(YDC)。

然而，氧化鈰基陶瓷作為電解質存在一個很大的弊端：鈰離子有兩個穩定價態并且其標準還原電位較低，在還原氣氛下的Ce4+很容易被還原為Ce3+，Ce3+的出現會引起電子導電。這會降低電解質的離子電導率與開路電壓，同時導致裝置短路，還會引起晶格膨脹，從而影響電解質的機械性能。因此，氧化鈰基陶瓷在現階段仍需努力解決鈰離子的還原問題，才能考慮作為商用 SOFC 的電解質。

3、氧化鉍電解質

氧化鉍基(Bi2O3)陶瓷同樣屬于螢石型結構的電解質，并且具有比氧化鈰基陶瓷更高的氧離子電導率，因此受到了研究人員的極大關注，是一種很有發展潛力的電解質材料。氧化鉍具有三種晶體結構，分別是單斜相結構(α-Bi2O3)、四方相結構(β-Bi2O3)和立方相結構(δ-Bi2O3）。其中，δ-Bi2O3屬于自帶有一定濃度氧空位缺陷的螢石結構，這是由于該結構中有兩個四面體空隙未被氧離子占據，從而形成了25%的固定氧空位濃度，最終使氧化鉍基電解質可以獲得比其他電解質材料更高的電導率。

圖 Bi2O3的晶體結構圖

目前已有研究發現，通過Sm的一元摻雜或是Tb-Gd-Ho的多元共摻雜得到的氧化鉍基電解質在中低溫可以獲得優異的離子電導率。但遺憾的是，氧化鉍的化學穩定性很差，Bi3+在還原氣氛下很容易被還原為單質Bi。此外，氧化鉍的熔點低，在高溫燒結過程中容易揮發，使得氧化鉍基陶瓷很難被燒結致密，大大降低了其電學和力學性能。因此，氧化鉍基陶瓷真正要作為SOFC電解質進行應用仍有很多問題需要解決。

4、鈣鈦礦型電解質

ABO3型鈣鈦礦是一大類氧化物，其中A為鑭系或堿金屬元素，B是過渡金屬元素。鈣鈦礦氧化物具有離子和電子的混合導電性，但一些摻雜的鈣鈦礦在中間溫度范圍內會表現為純氧離子導電性，適合用作IT-SOFC的電解質材料，其中，LaCaO3基陶瓷是目前被研究最多的一種鈣鈦礦結構的電解質。

圖 ABO3結構

已有研究表明，通過雙摻雜在 A位摻雜 Sr2+與B位摻雜 Mg2+得到的穩定 LaCaO3(LSGM)在摻雜鈣鈦礦氧化物電解質中具有最高的離子電導率。然而，LSGM因其組成元素復雜且含有易揮發元素，存在兩個明顯的缺點：①由于成分復雜導致很難燒結致密，②在合成過程中很容易產生雜質相，從而降低電導率。此外，LSGM容易與Ni基金屬陶瓷的電極材料發生反應，在界面形成低電導率的相。因此，LaCaO3基陶瓷要作為 SOFC的電解質，當前亟需解決其燒結致密及穩定結構的問題

綜合比較離子電導率、高溫化學穩定性等作為電解質材料的關鍵因素，目前氧化鋯基電解質YSZ的綜合性能是最好的，也是使用最廣泛的電解質材料。

資料來源：《釔穩定氧化鋯固體氧化物電解質的制備及電學性能研究》，賴欽遠；網絡

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