SOEC 由致密陶瓷电解质、多孔阳极和阴极组成。电解质层是夹在两电极之间的电池的重要组成部分,用于在两个电极之间转移氧离子并分离氢气和氧气。目前比较传统的电解质是YSZ, 但是YSZ通常需要较高的工作温度 (> 800 ℃),从而实现很好的离子电导率。然而,高温的工作温度阻碍的YSZ实际的工厂运用,因为它会导致密封、电池的稳定性和成本高等问题。因此,在相对较低温度下工作且具有高离子电导率的电解质对于SOEC 的广泛应用至关重要。GDC是目前运用的较为广泛的电解质,但是GDC在还原的气氛下不太稳定,Ce4+容易被还原为Ce3+, 因此在实际的运用中,通常使用YSZ/GDC双层解决这个问题。
LSO电解质在中间温度(500-800 ℃) 的条件下,也有很好的离子电导,并且在还原的气氛中稳定。文献中已经报道过通过掺杂去进一步的提高LSO的离子电导。目前LSO电解质存在的主要问题是需要较高烧结温度(1700 ℃) 去形成致密的电解质;La2SiO5和La2SiO7杂质在烧结是很容易形成,从而降低离子电导。
为了解决这些问题,作者通过使用共沉淀的方法去减少烧结温度,使其在1500℃烧结4小时候就可以形成致密的电解质;通过共掺杂Mo/Mg去抑制杂质La2SiO5和La2SiO7的生成。当Mo0.25/Mg0.3取代Si的位置时,LaⅡ-O4和Si-O变长,从而增加了氧离子迁移的轨道,使氧离子迁移变快。并且Mo6+离子的掺杂,使得间隙氧的增加,从而增加了使离子电导增加。本文是第一次系统性的研究了Mo/Mg的双掺杂对LSO的致密性,纯度和电导率的影响,并且详细的解释了离子电导增加的机理。
Jing Li, Dr. Qiong Cai, Dr. Bahman Amini Horri
Chemistry – A European Journal
DOI: 10.1002/chem.202300021