固體電解質(zhì)的研究進(jìn)展

錢培星（山東省聊城市第一中學(xué)，山東聊城 252000）

固體電解質(zhì)的研究進(jìn)展

錢培星（山東省聊城市第一中學(xué)，山東聊城 252000）

固體電解質(zhì)目前發(fā)展迅速，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，本文以氧化鋯固體電解質(zhì)、氧化鈰固體電解質(zhì)、氧化鋁固體電解質(zhì)、鋰離子固體電解質(zhì)和聚合物基固體電解質(zhì)為主體，回顧總結(jié)固體電解質(zhì)的發(fā)展。

固體電解質(zhì)；氧化鈰；鋰離子電池；研究進(jìn)展

固體電解質(zhì)是近年來發(fā)展迅速的一種功能材料，可廣泛應(yīng)用于燃料電池、電解池等領(lǐng)域。目前，國內(nèi)研究的固體電解質(zhì)有氧化鋯固體電解質(zhì)、氧化鈰固體電解質(zhì)、氧化鋁固體電解質(zhì)、硅酸鑭固體電解質(zhì)、鎵酸鑭固體電解質(zhì)、磷酸錫固體電解質(zhì)等，由于鋰電的發(fā)展，也有很多關(guān)于鋰離子電解質(zhì)的研究。此外，聚合物基質(zhì)的固體電解質(zhì)的發(fā)展勢頭也很好。

1 氧化鋯固體電解質(zhì)

立方穩(wěn)定ZrO2基電解質(zhì)材料擁有極大的離子電導(dǎo)率，在氧化和還原氣氛下的穩(wěn)定性很高、抗腐蝕性也很好，因而在氧傳感器和燃料電池中廣泛用做固體電解質(zhì)，是固體氧化物燃料電池的核心部件。SOFCs的輸出功率和電流密度一定程度上取決于ZrO2基固體電解質(zhì)的離子導(dǎo)電性能。但固體氧化物燃料電池中的ZrO2基固體電解質(zhì)運(yùn)行溫度太高(1000℃)，存在材料會緩慢分解、相際擴(kuò)散及金屬連接材料腐蝕等缺點(diǎn)。因此，將其工作溫度降低至中溫范圍(600～800℃)成為SOFCs發(fā)展的方向。但YSZ電解質(zhì)在600℃電導(dǎo)率僅為0.001S/cm，電解質(zhì)電導(dǎo)率只有在0.05S/cm以上，才能實(shí)現(xiàn)SOFC的高功率密度，因此目前的YSZ電導(dǎo)率無法滿足要求。發(fā)展中溫固體氧化物燃料電池(IT-SOFCs)的重點(diǎn)是研發(fā)具有較高離子電導(dǎo)率的固體電解質(zhì)材料。為了提高ZrO2基固體電解質(zhì)材料電導(dǎo)率，改善材料的性能，科學(xué)工作者在ZrO2的摻雜改性方面進(jìn)行大量研究，并取得了顯著成果。

2 氧化鈰固體電解質(zhì)

在CeO2中摻入三價(jià)稀土離子或二價(jià)堿土金屬離子產(chǎn)生氧空位，進(jìn)而提高氧離子電導(dǎo)率。摻雜CeO2由于在中溫范圍(600-800℃)具有較高的離子電導(dǎo)率而受到廣泛重視，成為中溫SOFC電解質(zhì)的主要候選材料。大量研究表明，在稀土單摻雜體系Ce1-xRExO2-δ中,稀土摻雜量x=0.2時(shí)材料電導(dǎo)率最高，活化能最低，其中Sm和Gd的摻雜體系具有較好的電性能。研究表明，在摻雜CeO2基電解質(zhì)中加入少量的過渡金屬氧化物，如MnO2、Fe2O3、Co2O3或Al2O3作為燒結(jié)助劑可降低體系的燒結(jié)溫度，提高致密度，并有效提高材料的總電導(dǎo)率。

3 氧化鋁電解質(zhì)

β-Al2O3固體電解質(zhì)是一種鈉離子導(dǎo)體，通常包含β-Al2O3和β″-Al2O3兩相。它在300～350℃的范圍內(nèi)具有較高的離子電導(dǎo)率。Na/β″-Al2O3固體電解質(zhì)的基本制備工藝與傳統(tǒng)陶瓷類似，也是經(jīng)制粉、成型、燒結(jié)等基本步驟。Na/β″-Al2O3粉末的合成，可通過傳統(tǒng)固相合成法或溶液燃燒合成法、共沉淀法、溶膠-凝膠法等軟化學(xué)合成方法；而生坯的成型則可通過注漿、冷等靜壓、凝膠注模、溫壓、熱壓及熱等靜壓等方法進(jìn)行，然后采取合適的燒結(jié)工藝燒結(jié)至所要求的形狀。此外，碟狀Na/β″-Al2O3固體電解質(zhì)和Na/β″-Al2O3膜的制備工藝中還可應(yīng)用氣相沉積技術(shù)。

4 鋰離子固體電解質(zhì)

鋰金屬具有極高的理論比容量和十分低的氧化還原電勢，因而用鋰金屬/鋰合金作為負(fù)極材料的二次電池具有廣闊的發(fā)展前景，一直被電池研究者關(guān)注。鋰離子無機(jī)固體電解質(zhì)作為鋰離子電池電解質(zhì)材料，穩(wěn)定性好、離子電導(dǎo)率高，廣泛用于電化學(xué)電源和電化學(xué)傳感器等領(lǐng)域，可以應(yīng)用于鋰離子電池并取代或配合目前的液態(tài)及膠態(tài)電解質(zhì)使用，提高鋰離子電池使用的安全性，是鋰電池開發(fā)應(yīng)用的一個(gè)重要方向。

5 聚合物基質(zhì)的固體電解質(zhì)

聚合物基質(zhì)的固體電解質(zhì)組成為聚合物中摻入堿金屬鹽。常見的聚合物基質(zhì)包括聚氧化乙烯、聚丙烯腈等，常見的堿金屬為鋰鹽。

Jing Fu等用天然纖維素納米纖維制造有望用于可充電鋅-空氣電池的具有高離子電導(dǎo)率和保水性以及高彎曲柔韌性的納米多孔堿性交換電解質(zhì)膜。其室溫下的離子電導(dǎo)率為21.2 mS/cm。用于鋅-空氣電池性能優(yōu)異。

Zhu Xiaoming等通過將Na+鹽溶解到有機(jī)晶體琥珀腈中來開發(fā)固態(tài)Na+電解質(zhì)，其在室溫下顯示出10-3S/cm數(shù)量級的高離子電導(dǎo)率和＞3V的寬電化學(xué)窗?；谠摴腆w電解質(zhì)構(gòu)建了使用P(AN-NA)陰極和J陽極的全有機(jī)Na離子電池。該固態(tài)電池在2.4V的開路電壓下工作良好，并且可以以相當(dāng)高的速率(＞800mA/g)循環(huán)。

6 結(jié)語

用于燃料電池的固體電解質(zhì)的研究主要有尋找中低溫下高電導(dǎo)率的材料和提高已有的高溫電解質(zhì)的電導(dǎo)率。用于鋰電的固體電解質(zhì)的研究較為熱門，不僅有無機(jī)固體電解質(zhì)的研究，聚合物電解質(zhì)的研究也在進(jìn)行。其它固體電解質(zhì)的研究多在于摻雜改性。

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