YSZ/YSZ-NiO电解质薄膜在低温条件下的电学特性研究
采用脉冲激光沉积(PLD)法，在多孔支撑的NiO-YSZ 阳极基底上制备YSZ电解质薄膜。利用XRD、SEM和射频阻抗/ 材料分析仪对多层膜的物相结构、表面形貌以及电学特性等进行表征。实验结果发现，YSZ 电解质薄膜在300-500℃之间，其电导活化能最小值为0.86eV，电导率可达到7.96×10-5 s/cm。
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效清洁的能源转化装置，由于其高效、低污染等诸多方面的优点正日益受到广泛重视。决定SOFC 性能的最主要因素是电解质材料离子电导率的大小，目前在SOFC 中应用最普遍和最成功的是钇稳定氧化锆(YSZ)电解质。YSZ 在高温下(≥900℃)具有良好的离子电导性能和化学稳定性，因此SOFC 须在高温(900-1000℃)下运行。如此高的工作温度，导致电极材料的选择范围受到了限制，并且大大降低了SOFC 的使用寿命和电池材料长期运行的稳定性。如果将电池的工作温度降至600-800℃(所谓中温)，或者300-500℃(低温)，甚至室温，就可避免电池组件间的相互作用及电极的烧结退化，延长电池寿命，提高电池的效率和降低生产成本。寻找在较低温度下具有足够高的离子电导率的电解质是目前SOFC 领域研究的重要课题。
近年来，研究的主要方向是采用薄膜技术来降低SOFC 的电解质的工作温度，在500-700℃的中温范围内有较大的成果。电解质的薄膜化也能最大限度地减少欧姆损耗和降低燃料电池的工作温度。Bailly 等人通过静电喷涂沉积法获得的500nm 厚的YSZ 薄膜电解质，其电导率低于体材料的电导率，Garbayo 等人研究了YSZ 薄膜电解质与无支撑结构的YSZ 厚膜相比，其电导率增加了一个数量级。
本文中，在多孔的NiO-YSZ 阳极支撑衬底上制备厚度为600nm-1μm 的YSZ 电解质薄膜，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为这是一种尽可能实现固体氧化物燃料电池在低温(300℃-500℃) 条件下工作的导电薄膜模型。发现在300℃-500℃低温范围内，YSZ 薄膜具有相对较大的电导率。
1、实验
将NiO 粉末，YSZ 粉末和淀粉按照5:5:2 wt.%的比例混合，用球磨机研磨48h 后，利用研钵手磨2h，使三种粉末混合均匀。称取若干份纳米尺寸的粉末，每份0.25g，置于直径为13mm 的磨具中，利用粉末压片机在481 MPa 的表观压强下压制成直径为10mm，厚度为0.5mm 的圆片。圆片在1400 ℃的高温炉中烧结4h 使其致密化，升降温速率为3℃/min。这样得到绿色的NiO–YSZ 阳极支撑。
采用中科院沈阳科学仪器厂生产的PLD-450型脉冲激光溅射仪，腔室内装有四个独立靶位，激光器为美国相干公司(Coherent Inc.) 生产的COMPexPro201 型脉冲准分子激光器，溅射靶材采用高纯YSZ 靶材(纯度99.999%)。将YSZ 靶材和NiO–YSZ 阳极衬底固定在相应的样品架上，衬底和YSZ 靶材的距离为5cm，衬底温度设定在300-600℃，氧分压设定为5Pa，激光器工作模式为恒压26kV， 激光能量在650-690mJ， 频率为10Hz，通过调节激光的能量以及脉冲次数来控制薄膜的厚度至600nm-1μm。为讨论问题方便起见，分别将不同沉积温度的样品编号如表1。
表1 不同沉积温度的样品编号
2、结论
通过采用脉冲激光沉积法在多孔的NiO-YSZ 阳极基板上成功地沉积了致密的8YSZ薄膜，并对其物相、表面形貌及电学性能进行测试分析得出了以下结论：
(1) 使用PLD 技术可以在多孔的NiO-YSZ阳极基板上能够沉积厚度大约为1μm 的致密的薄膜。衬底温度为500℃时，薄膜具有最佳的结晶度。该薄膜具有较大的等轴晶粒尺寸，同时薄膜具有良好的结晶度，很好得附着在NiO-YSZ 阳极基底上。
(2)X- 射线衍射和电子显微镜结果表明，利用激光溅射沉积的YSZ 薄膜在(111)晶向上是择优生长。
(3)电学性能测试结果表明，在较高的温度下，测定样品所获得激活能为1.09eV。在低温下，获得的沉积在NiO-YSZ 基底的YSZ 薄膜激活能为0.86eV。在低温条件下测试得到的电导率比YSZ 体材料的电导率增强两个数量级。
