晶格應(yīng)變對固體氧化物燃料電池性能的影響

質(zhì)子傳導(dǎo)氧化物在過去幾十年被認(rèn)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(xué)和機(jī)械結(jié)構(gòu)，并能減少制造成本。對于電解質(zhì)層，通常質(zhì)子傳導(dǎo)固體氧化物燃料電池使用的混合物摻雜鈣鎢化合物，化學(xué)組成是ABO3（A=Ca、Sr、Ba;B=Ce、Zr）。通過化學(xué)方法對A、B位點進(jìn)行摻雜時，摻雜物的溶解性很低，離子導(dǎo)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(jù)晶格應(yīng)力效應(yīng)改善材料的離子導(dǎo)電性比較熱門，主要集中于對電解質(zhì)和陰極材料的研究，研究表明，晶格應(yīng)力效應(yīng)可以改善氧離子導(dǎo)體的輸送性能。研究表明，氟石結(jié)構(gòu)氧離子導(dǎo)體在應(yīng)力狀態(tài)下，離子傳導(dǎo)系數(shù)增加104～106。通過反應(yīng)分子動力學(xué)方法研究表明，摻釔的BaZrO3材料的質(zhì)子傳導(dǎo)性在雙向應(yīng)力下可以輕微改善質(zhì)子的擴(kuò)散能力。

通過計算研究了雙向應(yīng)力對LaNbO4的摻雜溶解性、水化能、質(zhì)子遷移的影響。另外，研究了通過機(jī)械應(yīng)力來調(diào)節(jié)固體薄膜裝置的功能。拉應(yīng)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(zhì)子融入到結(jié)構(gòu)體內(nèi)，水化能減少可以增加吸收質(zhì)子的能力。拉應(yīng)力使結(jié)構(gòu)中2個最穩(wěn)定的質(zhì)子間結(jié)構(gòu)減弱，甚至被占據(jù)。由于壓應(yīng)力和拉應(yīng)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