~综述~氧化锆基固体电解质离子导电的基本原理林振汉,张玲秀(上海大学,上海200072)摘要:立方ZrO2具有高的离子传导性能,近年来被广泛用作固体氧化物燃料电池的电解质。固体中离子电导率决定于载体浓度(密度)和迁移率,而固态离子的传导和扩散则决定于固体中的缺陷结构。ZrO2的传导性能与掺杂剂的组成、晶体结构、晶粒大小和温度有关。文中着重论述了作为电解质的2-稳定立方ZrO2中O离子传导的作用原理和掺杂机制。关键词:电导率;缺陷;离子迁移率;固体电解质;立方ZrO2中图分类号:TQ134.1;TB383文献标识码:A文章编号:1008-1690(2009)05-0006-005MechanismofIonicConductionofZrO2BaseSolidElectrolyteLINZhen-han,ZHANGLin-xiu(ShanghaiUniversity,Shanghai200072)Abstract:CubicZrO2providesanexcellentionicconductionandisextensivelyusedaselectrolyteofsolidoxidefuelcell(SOFC)inrecentyears.Theionelectricalconductivityinsolidisdependentonbothcarrierconcentration(density)andmobility,whiletheconductionanddiffusionofsolidstateionsaredependentonthestructureofde-fectsinsolid.TheconductibilityofZrO2isrelatedtothecomposition,crystalstructureandgrainsizeofdopantas2-wellastemperature.TheactionprincipleofOionconductioninstabilizedcubicZrO2andthedopingmechanismwereemphaticallydepicted.Keywords:electricalconductivity;defec;tionicmobility;solidelectrolyte;cube-ZrO2[3]1固体中离子电导理论[1,2]结构确定的。可以通过下列方法来提高离子缺固体中离子电导率()是多离子和电子电荷载陷浓度:体迁移的分电导率的总和:(1)掺杂,即在固体电解质中添加不同价(或异价alivovalent)的杂质,要求产生带有相反电荷的离=qiici(1)子缺陷以保持电中性。在ZrO2中添加不同稳定剂,式中,ci是单位体积试样中载流子(carrier)的密度;大多数是MO或M2O3氧化物。显然,替代的阳离子q是每个载流子所带的电荷是迁移率+4[4]i;i(mobil-i比主阳离子(Zr)是低价的,为保持电中性,要ty),表示在单位电场强度下,载流子沿电场方向的产生氧空缺。掺杂剂与它们的补偿相互作用,这个平均迁移速度单位为2-1-1其中是表示,cmSV,V相互作用主要是静电。通过掺杂剂阳离子的捕获提在电场E作用下载流子沿电场迁移的平均速度,即高能迁移的氧空缺浓度,改变主阳离子周围缺陷和迁移率其表达式[4],:晶格松弛导致在缺陷之间吸引力的提高。=V/E(2)i(2)偏离化学配比计量值(deviationfromoto-i根据式可以通过调整载流子浓度密度(1),()chiometry),即与气相反应导致化合物的还原或氧ci和迁移率i来提高固体离子的电导率。化,形成过剩的空缺或空隙(vacancyorinterstitial)。1.1离子缺陷的浓度注意,这后一方法同时产生电子形式,从而导致混合固态离子传输性能、离子传导和扩散是由缺陷电导。收稿日期:2008-06-20作者简介:林振汉(1938-),男,教授,研究方向为氧化锆材料。联系电话:13501907947E-mai:lutzircob@126.com6热处理2009年第24卷第5期1.2离子迁移率的影响因素[3,5,6]子电导率,材料必须是致密、均匀的[10]。[11]由离子电导的电流密度可见,除载流子密度CiAldebert等导出的纯ZrO2的离子电导率i、之外,提高离子电导率的另一途径是增大载流子的离子迁移率ti和氧自扩散系数Do的数量级描述在表迁移率i。i主要与固体电解质的化学组成、晶型