Твердые электролиты ZrO2-Sc2O3, легированные изовалентными и гетеровалентными оксидами редкоземельных элементов

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ), как высокоэффективный и чистый генератор электроэнергии, имеют широкий диапазон применения от небольших автономных источников энергии до электростанций больших масштабов. В последнее время для сокращения расходов и повышения стабильности работы ТОТЭ большое внимание уделяется снижению эксплуатационных температур. Более низкие температуры могут увеличить стабильность электролитической ячейки и позволить использование более дешевых материалов для электрических соединений. К сожалению, уменьшение рабочей температуры ведет к повышению электрического сопротивления твердого электролита, что вызывает потери мощности во время работы. Поэтому, очень важно проведение научных исследований, направленных на создание новых электролитов – материалов с более высокой ионной проводимостью при пониженных температурах.Проект направлен на решение фундаментальной задачи - выявление кристаллохимических особенностей процессов фазообразования и структурообразования в монокристаллах твердых растворов на основе диоксида циркония и определение основных факторов и механизмов их влияния на кислород-ионную проводимость твердых электролитов. Изучение влияния легирования изовалентными и гетеровалентными примесями на структуру, фазовый состав и транспортные характеристики материала важно для разработки новых твердых электролитов. В настоящее время, несмотря на большое число исследований, посвященных изучению структуры и свойств материалов на основе диоксида циркония, являющихся твердыми электролитами, имеется малое число работ, выполненных на монокристаллах. Одной из проблем твердых электролитов является стабильность характеристик при рабочих температурах в течение длительного времени, что может быть связано как с фазовыми превращениями, так и с рекристаллизацией керамики при рабочих температурах. Для монокристаллов стабильность определяется лишь фазовой устойчивостью твердого раствора. Исследование монокристаллов позволит оценить вклад объемный составляющей проводимости твердого электролита, исключая вклад поверхностной проводимости, что может существенно упростить анализ механизмов ионной проводимости.По результатам экспериментальных исследований будет определено взаимное влияние введения легирующих оксидов скандия и иттербия или тербия на фазовые составы, структуру и электрофизические свойства твердых растворов на основе диоксида циркония. Будет оценены возможности путем солегирования увеличения электропроводности и снижение рабочих температур до 500-800ºС для монокристаллических твердых электролитов. Будет установлена область концентраций солегирующих примесей, позволяющая получить кубические монокристаллы и обеспечить устойчивость фазового состава и физико-химических свойств при воздействии механических нагрузок и температур. Будет рассмотрена возможность сохранения фазовой стабильности и электрофизических свойств при уменьшении концентрации оксида скандия путем замены на солегирующий оксид в кубическом твердом растворе для получения более дешевого материала.