ВЛИЯНИЕ СОСТАВА, ТЕМПЕРАТУРЫ И ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ДИФФУЗИЮ ИОНОВ КИСЛОРОДА В ТВЕРДЫХ ЭЛЕКТРОЛИТАХ НА ОСНОВЕ СТАБИЛИЗИРОВАННОГО ОКСИДА ЦИРКОНИЯ

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) представляют собой мощные, экологичные и портативные источники питания. Их можно использовать как в промышленности, так и в быту, например в транспортных средствах или для обеспечения электроэнергией помещений. Главным недостатком, мешающим широкому распространению использования ТОТЭ, является их высокая рабочая температура. В конструкции ТОТЭ в качестве твердого электролита часто используется оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (YSZ). Этот материал обладает рядом преимуществ: химической устойчивостью, механической прочностью, дешевизной в производстве, и самое главное, высокой ионной проводимостью, но только при температурах 800-1000°С. В работе используются такие методы вычислительной химии как: классическая молекулярная динамика, теория функционала плотности (DFT) и метод упругой нити с подталкиванием (NEB). Молекулярно-динамическое моделирование проводилось в программе LAMMPS. Модельной системой являлась кубическая суперячейка YSZ 5х5х5 с трехмерными периодическими условиями. Межмолекулярное взаимодействие описывалось суммой потенциала Бакингема и кулоновского потенциала. Для DFT и NEB расчетов использовалась программа Quantum Espresso, функционал PBE. Носителями заряда в YSZ являются ионы кислорода О2-, которые диффундируют в объеме YSZ по вакансионному механизму. В диссертационной работе было исследовано влияние внешнего постоянного и переменного электрического поля на коэффициент диффузии ионов кислорода и энергию активации диффузии, с целью проверки возможности использовать электрическое поле для понижения рабочей температуры. Было установлено, что электрическое поле напряженностью 0.02 В/Å увеличивает коэффициент диффузии ионов примерно в 3 раза при содержании Y2O3 = 4.6 мол.% и Т=1073 К. Энергия активации при наложении поля понижается с 0.45 эВ без наложения электрического поля до 0.32 эВ при наложении постоянного поля 0.08 В/Å. Было установлено, что существует резонансная частота, зависящая от состава системы, при которой значение коэффициента диффузии резко возрастает. Наложение переменного электрического поля с амплитудой напряженности 0.02 В/Å увеличивает максимальное значение коэффициента диффузии в 1.7 раза, а наложение переменного поля амплитудой 0.02 В/Å и сонаправленного постоянного поля напряженностью 0.02 В/Å увеличивает его в 4.5 раза. Помимо этого, в работе исследуется влияние содержания допанта и температуры на коэффициент диффузии и энергию активации диффузии ионов кислорода и кислородных вакансий. Показано, что наибольшей проводимостью обладает диоксид циркония с содержанием оксида иттрия 3 мол.%. Энергия активации увеличивается с 0.45 эВ до 0.79 эВ при повышении содержания допанта с 4.6 мол.% до 15.7 мол.%. В литературе наблюдается серьезное расхождение в значениях энергии активации, полученных в экспериментальных и теоретических исследованиях. В связи с этим, в диссертационной работе проведена репараметризация потенциала Бакингема и получен набор параметров, обеспечивающий улучшенную оценку энергию активации диффузии ионов О2- в YSZ при содержании Y2O3 = 8.9 мол.%. и ниже.