氧化鋯電池在電池應(yīng)用中的優(yōu)勢

  氧化鋯是鋯的主要氧化物，通常狀況下為白色無臭無味晶體，難溶于水、鹽酸和稀硫酸。它化學(xué)性質(zhì)不活潑，且具有高熔點、高硬度、高折射率和低熱膨脹系數(shù)的性質(zhì)，使它成為一種極其重要的耐高溫材料和陶瓷材料。

  近年來，隨著鋰電池的飛速發(fā)展以及對固體氧化物燃料電池研究的不斷深入，氧化鋯在電池中的應(yīng)用潛力不斷被開發(fā)出來，在電池中扮演重要角色。

  我們今天就以電池的三大組成之一的電解質(zhì)來解讀。

  固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種高效清潔的能量轉(zhuǎn)換體系，它可將燃料氣體和氧化氣體的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能，并具有發(fā)電效率高，啟動時間短，應(yīng)答速度快，體積小，污染低，易于組裝和維護等優(yōu)點，被譽為繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和核能發(fā)電之后的一種高效、節(jié)能、環(huán)保的新型型發(fā)電技術(shù)。SOFC的開發(fā)與應(yīng)用已成為當(dāng)前新材料和新能源領(lǐng)域的一個研究熱點。

  在SOFC中，電解質(zhì)的選擇和制備是最重要的環(huán)節(jié)之一。SOFC要求電解質(zhì)具有1.高的離子電導(dǎo)率(≥0.1S/cm)，2.低的電子遷移數(shù)(<10-3)，3.與電極材料、氧和燃氣保持化學(xué)穩(wěn)定，4.在一個較寬的溫度和氧分壓范圍內(nèi)保持熱力學(xué)穩(wěn)定，5.與其它電池組件在熱膨脹系數(shù)上匹配，具有良好的氣密性以及適宜的力學(xué)性能等。這些性能要求限制了電解質(zhì)材料的選擇范圍，目前只能限于以氧化物為基體的陶瓷材料。

  而立方相的氧化鋯因為具有良好的高溫氧離子傳輸性能，在SOFC中可作為固體電解質(zhì)材料使用。氧化鋯基電解質(zhì)屬于高溫電解質(zhì)，但是同時面臨著一個難題，高溫的操作溫度容易引起電極燒結(jié)、致使電池組件材料在界面處發(fā)生相互擴散、產(chǎn)生熱膨脹失配、最后引發(fā)性能的快速老化，造成使用效率低下，資源浪費等問題。關(guān)于這個問題的解決方法，一個重要思路就是減小電解質(zhì)的厚度。為什么呢？這是因為減小電解質(zhì)的厚度能夠降低電池的歐姆損耗，而使用氧化鋯基電解質(zhì)薄膜就能低電池的操作溫度，使電池保持高性能，采用氧化鋯是提升電池效能的有效途徑。