Разработка новых твёрдых электролитов на основе диоксида циркония, легированного многокомпонентными добавками, для твёрдооксидных топливных элементов

В рамках первого этапа выполнения проекта мы исследовали влияние добавок Y2O3, Yb2O3, CaO, CeO2 и их комбинаций на фазовый состав и служебные свойства твёрдых ScSZ электролитов. Мы установили, что для полного подавления нежелательного фазового перехода кубической (c-ZrO2) фазы в ромбоэдрическую достаточно ввести 0,8 % Y2O3. Дополнительное легирование различными комбинациями CaO и CeO2 позволило дополнительно повысить ионную проводимость материала без нарушения фазовой c-ZrO2. Состав материала с наилучшими электрическими свойствами: 90 % ZrO2, 9,2 % Sc2O3, 0,6 % Y2O3, 0,15 % CeO2, 0,05 % CaO. Во время второго года выполнения проекта мы исследовали влияние добавок Bi2O3, Gd2O3, CaO, CeO2 и их комбинаций. Внесение оксида гадолиния лучше стабилизировало c-ZrO2, но вызывало падение ионной проводимости. Оксид висмута хуже стабилизировал c-ZrO2, но повышал ионную проводимость. По результатам исследования многокомпонентных композиций мы установили, что набольшей ионной проводимостью наряду с полной стабилизацией c-ZrO2 обладают электролиты состава 89,2 % ZrO2, 9,8 Sc2O3, 0,5 % Bi2O3, 0,3 % CeO2, 0,2 % CaO. Во время третьего года выполнения проекта мы исследовали стабильность фазового состава и проводимости электролитов при их выдержке при 600 °С и при их контакте с электродными материалами. Все исследованные электролиты образовывали цирконат лантана выдержке в контакте с LSM и моноклинную фазу в контакте c Ni/YSZ анодом. Из электролитов, полностью стабилизированных в c-ZrO2, химически наиболее устойчивыми оказались электролиты состава 9,2 % Sc2O3, 0,8 % Y2O3. Мы установили, что электролиты с несколькими видами допантов были более склонны к деградации фазового состава при старении.