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未来社会将面临化石燃料枯竭的问题，随着越来越多的国家走向工业化与世界人口的增长，能源需求也在增加。发展清洁、环保、可再生的能源转化装置是当前能源科技领域的主要战场。固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种能够将化学能直接转化为电能的电化学装置，是减少污染物排放的最有希望、最有效的能源生产系统之一，近年来受到人们越来越多的关注。在过去十年里，SOFC领域的科学家普遍认为降低SOFC的运行温度有利于实现其商业化。而现有的SOFC电解质的电导率在低温范围(300～600℃)都无法满足电池输出高功率密度的需要。
因此开发在低温具有高电导率的新型电解质材料或者新型电解质结构势在必行。近年来一种不经过高温烧结致密化的电解质结构受到广泛研究。这种电解质结构仅通过高压压制成型且在电池运行温度下烧结后就可以获得非常高的离子电导率，但其离子传导机理尚没有非常详细的报告。BaZrO3是具有高温质子导电性的钙钛矿型氧化物，在600℃具有相对较高的质子电导率，但仍然无法满足低温SOFC的需要。
本论文以BaZr0.9Y0.1O3-α(BZY)为电解质材料，以涂覆有LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCAL)的泡沫镍为电极，利用共压法制备了具有新型BZY电解质结构的单电池foamNi-NCAL/BZY/NCAL-foam Ni。通过电池电化学性能测试、双电解质电池离子过滤实验、电池微观结构表征及BZY表面特性表征等方法研究了新型BZY电解质的离子传导机理，具体内容如下:
(1)用溶胶凝胶法合成了BaZr0.9Y0.1O3-α，分别在1000和1200℃烧结5h得到粉体材料。XRD结果显示焙烧温度为1200℃的BZY具有很好的钙钛矿结构，没有明显杂相生成。
(2)以1200℃焙烧制得的BZY为电解质材料，用共压法制备了结构为foam Ni-NCAL/BZY/NCAL-foam Ni的单电池。电池在550、500和450℃氢气燃料中取得了735.6、538.4和326.4mW·cm-2的功率密度，该性能远高于传统以同样厚度BZY为电解质的SOFC所取得的性能。利用交流阻抗谱计算得到本实验制得的新型BZY电解质的离子电导率在450、500和550℃分别为0.42、0.50和0.56S·cm-1，远高于传统高温致密化的BZY电解质在同等温度下的离子电导率。本文制备的BZY电解质的离子传导的激活能为0.23eV，远低于传统SOFC的氧离子导体电解质或质子导体电解质的离子传导激活能。
(3)为了阐明本文制备的新型结构BZY电解质的离子传导机理，本文采用传统的高温致密化的纯氧离子导体Ce0.9Gd0.1O2-δ作为离子过滤层，制备了具有双层电解质结构为foam Ni-NCAL/GDC/BZY/NCAL-foam Ni的单电池。其中GDC电解质是利用等静压法制备，并在1550℃高温烧结致密化的电解质片;BZY电解质仅经过360Mpa共压，然后在电池性能测试温度下烧结。该BZY/GDC双层电解质SOFC在550℃、氢气燃料中取得了47.5mW·cm-2的功率密度。根据该离子过滤实验结合foam Ni-NCAL/BZY/NCAL-foam Ni电池在不同气氛中的交流阻抗变化，我们认为新型结构BZY电解质中的主要载流子应该是氧离子。
(4)根据BZY电解质的SEM微观结构图、BZY电解质粉体性能测试前后TGA结果及其表面的XPS和FTIR分析结果，我们认为在新型BZY电解质结构中，BZY颗粒之间的界面及其表面为氧离子高速传导的主要通道。具体的离子传导机理需要在将来的研究中进一步揭示。
因此开发在低温具有高电导率的新型电解质材料或者新型电解质结构势在必行。近年来一种不经过高温烧结致密化的电解质结构受到广泛研究。这种电解质结构仅通过高压压制成型且在电池运行温度下烧结后就可以获得非常高的离子电导率，但其离子传导机理尚没有非常详细的报告。BaZrO3是具有高温质子导电性的钙钛矿型氧化物，在600℃具有相对较高的质子电导率，但仍然无法满足低温SOFC的需要。
本论文以BaZr0.9Y0.1O3-α(BZY)为电解质材料，以涂覆有LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCAL)的泡沫镍为电极，利用共压法制备了具有新型BZY电解质结构的单电池foamNi-NCAL/BZY/NCAL-foam Ni。通过电池电化学性能测试、双电解质电池离子过滤实验、电池微观结构表征及BZY表面特性表征等方法研究了新型BZY电解质的离子传导机理，具体内容如下:
(1)用溶胶凝胶法合成了BaZr0.9Y0.1O3-α，分别在1000和1200℃烧结5h得到粉体材料。XRD结果显示焙烧温度为1200℃的BZY具有很好的钙钛矿结构，没有明显杂相生成。
(2)以1200℃焙烧制得的BZY为电解质材料，用共压法制备了结构为foam Ni-NCAL/BZY/NCAL-foam Ni的单电池。电池在550、500和450℃氢气燃料中取得了735.6、538.4和326.4mW·cm-2的功率密度，该性能远高于传统以同样厚度BZY为电解质的SOFC所取得的性能。利用交流阻抗谱计算得到本实验制得的新型BZY电解质的离子电导率在450、500和550℃分别为0.42、0.50和0.56S·cm-1，远高于传统高温致密化的BZY电解质在同等温度下的离子电导率。本文制备的BZY电解质的离子传导的激活能为0.23eV，远低于传统SOFC的氧离子导体电解质或质子导体电解质的离子传导激活能。
(3)为了阐明本文制备的新型结构BZY电解质的离子传导机理，本文采用传统的高温致密化的纯氧离子导体Ce0.9Gd0.1O2-δ作为离子过滤层，制备了具有双层电解质结构为foam Ni-NCAL/GDC/BZY/NCAL-foam Ni的单电池。其中GDC电解质是利用等静压法制备，并在1550℃高温烧结致密化的电解质片;BZY电解质仅经过360Mpa共压，然后在电池性能测试温度下烧结。该BZY/GDC双层电解质SOFC在550℃、氢气燃料中取得了47.5mW·cm-2的功率密度。根据该离子过滤实验结合foam Ni-NCAL/BZY/NCAL-foam Ni电池在不同气氛中的交流阻抗变化，我们认为新型结构BZY电解质中的主要载流子应该是氧离子。
(4)根据BZY电解质的SEM微观结构图、BZY电解质粉体性能测试前后TGA结果及其表面的XPS和FTIR分析结果，我们认为在新型BZY电解质结构中，BZY颗粒之间的界面及其表面为氧离子高速传导的主要通道。具体的离子传导机理需要在将来的研究中进一步揭示。