固体电解质的研究进展

钱培星（山东省聊城市第一中学，山东聊城 252000）

固体电解质的研究进展

钱培星（山东省聊城市第一中学，山东聊城 252000）

固体电解质目前发展迅速，应用领域广泛，本文以氧化锆固体电解质、氧化铈固体电解质、氧化铝固体电解质、锂离子固体电解质和聚合物基固体电解质为主体，回顾总结固体电解质的发展。

固体电解质；氧化铈；锂离子电池；研究进展

固体电解质是近年来发展迅速的一种功能材料，可广泛应用于燃料电池、电解池等领域。目前，国内研究的固体电解质有氧化锆固体电解质、氧化铈固体电解质、氧化铝固体电解质、硅酸镧固体电解质、镓酸镧固体电解质、磷酸锡固体电解质等，由于锂电的发展，也有很多关于锂离子电解质的研究。此外，聚合物基质的固体电解质的发展势头也很好。

1 氧化锆固体电解质

立方稳定ZrO2基电解质材料拥有极大的离子电导率，在氧化和还原气氛下的稳定性很高、抗腐蚀性也很好，因而在氧传感器和燃料电池中广泛用做固体电解质，是固体氧化物燃料电池的核心部件。SOFCs的输出功率和电流密度一定程度上取决于ZrO2基固体电解质的离子导电性能。但固体氧化物燃料电池中的ZrO2基固体电解质运行温度太高(1000℃)，存在材料会缓慢分解、相际扩散及金属连接材料腐蚀等缺点。因此，将其工作温度降低至中温范围(600～800℃)成为SOFCs发展的方向。但YSZ电解质在600℃电导率仅为0.001S/cm，电解质电导率只有在0.05S/cm以上，才能实现SOFC的高功率密度，因此目前的YSZ电导率无法满足要求。发展中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFCs)的重点是研发具有较高离子电导率的固体电解质材料。为了提高ZrO2基固体电解质材料电导率，改善材料的性能，科学工作者在ZrO2的掺杂改性方面进行大量研究，并取得了显著成果。

2 氧化铈固体电解质

在CeO2中掺入三价稀土离子或二价碱土金属离子产生氧空位，进而提高氧离子电导率。掺杂CeO2由于在中温范围(600-800℃)具有较高的离子电导率而受到广泛重视，成为中温SOFC电解质的主要候选材料。大量研究表明，在稀土单掺杂体系Ce1-xRExO2-δ中,稀土掺杂量x=0.2时材料电导率最高，活化能最低，其中Sm和Gd的掺杂体系具有较好的电性能。研究表明，在掺杂CeO2基电解质中加入少量的过渡金属氧化物，如MnO2、Fe2O3、Co2O3或Al2O3作为烧结助剂可降低体系的烧结温度，提高致密度，并有效提高材料的总电导率。

3 氧化铝电解质

β-Al2O3固体电解质是一种钠离子导体，通常包含β-Al2O3和β″-Al2O3两相。它在300～350℃的范围内具有较高的离子电导率。Na/β″-Al2O3固体电解质的基本制备工艺与传统陶瓷类似，也是经制粉、成型、烧结等基本步骤。Na/β″-Al2O3粉末的合成，可通过传统固相合成法或溶液燃烧合成法、共沉淀法、溶胶-凝胶法等软化学合成方法；而生坯的成型则可通过注浆、冷等静压、凝胶注模、温压、热压及热等静压等方法进行，然后采取合适的烧结工艺烧结至所要求的形状。此外，碟状Na/β″-Al2O3固体电解质和Na/β″-Al2O3膜的制备工艺中还可应用气相沉积技术。

4 锂离子固体电解质

锂金属具有极高的理论比容量和十分低的氧化还原电势，因而用锂金属/锂合金作为负极材料的二次电池具有广阔的发展前景，一直被电池研究者关注。锂离子无机固体电解质作为锂离子电池电解质材料，稳定性好、离子电导率高，广泛用于电化学电源和电化学传感器等领域，可以应用于锂离子电池并取代或配合目前的液态及胶态电解质使用，提高锂离子电池使用的安全性，是锂电池开发应用的一个重要方向。

5 聚合物基质的固体电解质

聚合物基质的固体电解质组成为聚合物中掺入碱金属盐。常见的聚合物基质包括聚氧化乙烯、聚丙烯腈等，常见的碱金属为锂盐。

Jing Fu等用天然纤维素纳米纤维制造有望用于可充电锌-空气电池的具有高离子电导率和保水性以及高弯曲柔韧性的纳米多孔碱性交换电解质膜。其室温下的离子电导率为21.2 mS/cm。用于锌-空气电池性能优异。

Zhu Xiaoming等通过将Na+盐溶解到有机晶体琥珀腈中来开发固态Na+电解质，其在室温下显示出10-3S/cm数量级的高离子电导率和＞3V的宽电化学窗。基于该固体电解质构建了使用P(AN-NA)阴极和J阳极的全有机Na离子电池。该固态电池在2.4V的开路电压下工作良好，并且可以以相当高的速率(＞800mA/g)循环。

6 结语

用于燃料电池的固体电解质的研究主要有寻找中低温下高电导率的材料和提高已有的高温电解质的电导率。用于锂电的固体电解质的研究较为热门，不仅有无机固体电解质的研究，聚合物电解质的研究也在进行。其它固体电解质的研究多在于掺杂改性。

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