固體電解質的研究進展

錢培星（山東省聊城市第一中學，山東聊城 252000）

固體電解質的研究進展

錢培星（山東省聊城市第一中學，山東聊城 252000）

固體電解質目前發展迅速，應用領域廣泛，本文以氧化鋯固體電解質、氧化鈰固體電解質、氧化鋁固體電解質、鋰離子固體電解質和聚合物基固體電解質為主體，回顧總結固體電解質的發展。

固體電解質；氧化鈰；鋰離子電池；研究進展

固體電解質是近年來發展迅速的一種功能材料，可廣泛應用于燃料電池、電解池等領域。目前，國內研究的固體電解質有氧化鋯固體電解質、氧化鈰固體電解質、氧化鋁固體電解質、硅酸鑭固體電解質、鎵酸鑭固體電解質、磷酸錫固體電解質等，由于鋰電的發展，也有很多關于鋰離子電解質的研究。此外，聚合物基質的固體電解質的發展勢頭也很好。

1 氧化鋯固體電解質

立方穩定ZrO2基電解質材料擁有極大的離子電導率，在氧化和還原氣氛下的穩定性很高、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，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基固體電解質的離子導電性能。但固體氧化物燃料電池中的ZrO2基固體電解質運行溫度太高(1000℃)，存在材料會緩慢分解、相際擴散及金屬連接材料腐蝕等缺點。因此，將其工作溫度降低至中溫范圍(600～800℃)成為SOFCs發展的方向。但YSZ電解質在600℃電導率僅為0.001S/cm，電解質電導率只有在0.05S/cm以上，才能實現SOFC的高功率密度，因此目前的YSZ電導率無法滿足要求。發展中溫固體氧化物燃料電池(IT-SOFCs)的重點是研發具有較高離子電導率的固體電解質材料。為了提高ZrO2基固體電解質材料電導率，改善材料的性能，科學工作者在ZrO2的摻雜改性方面進行大量研究，并取得了顯著成果。

2 氧化鈰固體電解質

在CeO2中摻入三價稀土離子或二價堿土金屬離子產生氧空位，進而提高氧離子電導率。摻雜CeO2由于在中溫范圍(600-800℃)具有較高的離子電導率而受到廣泛重視，成為中溫SOFC電解質的主要候選材料。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時材料電導率最高，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基電解質中加入少量的過渡金屬氧化物，如MnO2、Fe2O3、Co2O3或Al2O3作為燒結助劑可降低體系的燒結溫度，提高致密度，并有效提高材料的總電導率。

3 氧化鋁電解質

β-Al2O3固體電解質是一種鈉離子導體，通常包含β-Al2O3和β″-Al2O3兩相。它在300～350℃的范圍內具有較高的離子電導率。Na/β″-Al2O3固體電解質的基本制備工藝與傳統陶瓷類似，也是經制粉、成型、燒結等基本步驟。Na/β″-Al2O3粉末的合成，可通過傳統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行，然后采取合適的燒結工藝燒結至所要求的形狀。此外，碟狀Na/β″-Al2O3固體電解質和Na/β″-Al2O3膜的制備工藝中還可應用氣相沉積技術。

4 鋰離子固體電解質

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/鋰合金作為負極材料的二次電池具有廣闊的發展前景，一直被電池研究者關注。鋰離子無機固體電解質作為鋰離子電池電解質材料，穩定性好、離子電導率高，廣泛用于電化學電源和電化學傳感器等領域，可以應用于鋰離子電池并取代或配合目前的液態及膠態電解質使用，提高鋰離子電池使用的安全性，是鋰電池開發應用的一個重要方向。

5 聚合物基質的固體電解質

聚合物基質的固體電解質組成為聚合物中摻入堿金屬鹽。常見的聚合物基質包括聚氧化乙烯、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膜。其室溫下的離子電導率為21.2 mS/cm。用于鋅-空氣電池性能優異。

Zhu Xiaoming等通過將Na+鹽溶解到有機晶體琥珀腈中來開發固態Na+電解質，其在室溫下顯示出10-3S/cm數量級的高離子電導率和＞3V的寬電化學窗。基于該固體電解質構建了使用P(AN-NA)陰極和J陽極的全有機Na離子電池。該固態電池在2.4V的開路電壓下工作良好，并且可以以相當高的速率(＞800mA/g)循環。

6 結語

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

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