Kompozytowe elektrolity stałe jako elementy do budowy urządzeń elektrochemicznych i tlenkowych ogniw galwanicznych.

Dudek, M.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Kompozytowe elektrolity stałe jako elementy do budowy urządzeń elektrochemicznych i tlenkowych ogniw galwanicznych.

Autorzy

Dudek M.

Wybrane pełne teksty z tego czasopisma

http://www.szklo-ceramika.pl

Identyfikatory

Warianty tytułu

Composite solid electrolytes as elements for constructing electrochemical devices and solid oxide galvanic cell.

Języki publikacji

Abstrakty

Na podstawie przeglądu literatury scharakteryzowano właściwości elektryczne kompozytowych dyspersyjnych przewodników jonowych oraz omówiono modele teoretyczne opisujące wzrost wartości przewodnictwa jonowego w tych materiałach. W tej pracy skoncentrowano się na analizie właściwości elektrycznych i mechanicznych ceramicznych elektrolitów tlenkowych zawierających min. roztwory stałe Zr0.84Y0.16O2 (8YSZ), Ce1-xMexO2 (Me = Sm, Gd, a x wynosi od 0.1 do 0.2) oraz CaZrO3, pod kątem zastosowania ich jako elementów do budowy stałotlenkowych ogniw paliwowych (SOFC), sensorów gazowych dla motoryzacji, czy w ogniwach galwanicznych służących m.in. do badania właściwości termodynamicznych układów tlenkowych o niskiej prężności tlenu. Wprowadzenie heterofazowych wtrąceń Al2O3 do osnowy roztworu stałego 8YSZ lub Ca3Al2O6 do matrycy CaZrO3 prowadzi do poprawy właściwości elektrycznych i mechanicznych w porównaniu do jednofazowych tworzyw. Znaczny wzrost odporności na kruche pękanie KlC zanotowano także w przypadku spieków 8YSZ zawierających jako wtrącenia Nd2Ti2O7. Poprawa właściwości mechanicznych elektrolitu 8YSZ jest cechą korzystną w aspekcie zastosowania go jako elementu m.in. do budowy stałotlenkowych ogniw paliwowych (SOFC) sensorów gazowych dla diagnostyki pokładowej OBD w motoryzacji. Kompozytowe spieki w układzie CaZrO3-Ca3Al2O6, wydają się być obiecującymi elektrolitami ceramicznymi do konstrukcji ogniw galwanicznych przeznaczonych do badania właściwości termodynamicznych układów tlenkowych o niskiej prężności tlenu, związków międzymetalicznych czy węglików w temperaturze poniżej 1000 stopni Celsjusza. Kompozytowe elektrolity laminatowe zawierające m.in. Ce0.8Sm0.2O2-Bi0.8Eb0.2O2 lub Ce0.9Gd0,1O2/BaCe0.8Y0.2O3/Ce0.9Gd0.1O1.95, wykazują lepszą stabilność w atmosferach gazowych o niskiej prężności tlenu. Elektrolity te z powodzeniem przetestowano w stałotlenkowych ogniwach paliwowych pracujących w temperaturach ok. 800 stopni Celsjusza.

In this article, the brief review of the literature concerning the characteristics of composite ion conductors and also theoretical models analyzed the enhancement of ionic conduction are considered. Particular emphasis focused on the comparative analysis of electrical and mechanical properties of composite oxide electrolytes involving solid solutions Zr0.84Y0,16O2 (8YSZ), Ce1-xMexO2 (Me = Gd, Sm, where x = 0.1-0.2) and Ca-ZrO3, which could be applied as elements in solid oxide fuel cells (SOFC), gas sensors for automotive industry and solid oxide galvanic cells designed to study thermodynamic properties of oxide system with low equilibrium pressure, intermetallic compounds, carbides at temperatures below 1000 degrees centigrade. Introduction of heterophase Al2O3 inclusions into 8YSZ matrix or Ca3Al2O6 into the CaZr03 matrix, caused the improvement of electrical and mechanical properties compared to the monophase material. The Nd2Ti2O7 secondary phase was also able to coexist with 8YSZ matrix and the fracture toughness KIC of 8YSZ ceramics was significantly improved by Nd2Ti2O7 addition. The improvement of 8YSZ electrolyte mechanical properties is a positive feature, as far as the aspect of utilizing it as element for constructing solid oxide fuel cell or gas sensors working in the On board diagnosic system (OBD) in automotive industry. The prepared CaZrO3-Ca3Al2O6 composite material seems to be promising solid electrolyte for galvanic cells to the determination thermodynamic properties of oxides having low oxygen partial pressure, intermetallic compounds or carbides at the temperatures below 1000 degrees centigrade. Composite layered ceramics based on Ce0.8Sm0.2O2/Bi0.8Eb0.2 O2 or Ce0.9Gd0.1O2/BaCe0.8Y0.2O3/Ce0.9Gd0.1O1.95 system exhibited better electrolytic stability in gas atmospheres with low oxygen partial pressure at the temperatures 600-800 degrees centigrade. These materials are successfully tested as electrolytes in solid oxide fuel cells.

Słowa kluczowe

kompozytowe przewodniki jonowe elektrolit ceramiczny laminatowy elektrolit ceramiczny dyspersyjny roztwory stałe ZrO2, CeO2 stałotlenkowe ogniwa paliwowe SOFC sensory gazowe dla motoryzacji ogniwa galwaniczne

dispersed ceramic electrolytes layered ceramic electrolytes solid solutions based on ZrO2 or CeO2 CaZrO3 solid oxide fuel cells gas sensor for automotive industry solid oxide galvanic cells

Wydawca

Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych

Czasopismo

Szkło i Ceramika

Rocznik

2007

Tom

R. 58, nr 2

Strony

7--13

Opis fizyczny

Bibliogr. 106 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Dudek M.

Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Chemii Nieorganicznej

Bibliografia

[1] S. Chandra [w:] Superionic solids. Principles and application, North Holland Publ. Co., Amsterdam-New York-Oxford 1981. s 313-70.
[2] W. Jakubowski, Przewodniki superjonowe. Właściwości fizyczne i zastosowania, WNT, Warszawa 1988.
[3] V. S. Stubican, [w] Advances in Ceramics, Science and Technology of Zlrconia tom III, edited by S. Somiya, Y. Yamaoto, H. Yanagida, American Ceramic Society. Columbus OH. 1988. s. 71-82.
[4] K. T. Jacob, T. Mathews, [w:] High Conductivity of Solid Ionic Conductors - Recent Trends and Application, Ed. T. Takahashi, World Scientific, Singapore 1989. s. 516-63.
[5] D. Janke Metallurgical Transaction 13B, 1982, s. 227-35.
[6] P. Knauth, H. Tuller, Journal of the American Ceramic Society 85 (7), 2002, s. 1654-80.
[7] K. Kiukola, C. Wagner. Journal of the Electrochemical Society 104, 1997. s 379-87.
[8] J. Pratt, Metallurgical Transactions A (21). 1990, s. 1223- 50.
[9] G. Róg, A. Kozłowska-Róg. Zeitschrift fuer Physikalische Chemie Bd. 207, 1998. s. 83-92.
[10] M. Kopyto, K. Fitzner Journal of Materials Science 31, 1996, s. 2797-2800.
[11] V. V. Kharton, F. M, Marques, A. Atkinson, Solid State Ionics 174, 2004. s. 135-49.
[12] J. Paterson. Journal of the Electrochemical Society 114. 1967, s. 752-58.
[13] B. C. Steele, C. B. Alock, Transactions of the Metallurgical Society 23, 1965. s. 1359-67.
[14] R. C. Agrawal, R. K. Gupta, Journal of Materials Science 34. 1999, s 1131-62.
[15] C. Nan, D. Smith, Materials Science and Engineering B10, 1991, s. 99-106.
[16] R. W. Steinbrech, Journal of the European Ceramic Society 10,1992, s. 131-42.
[17] C. C Liang, Journal of the Electrochemical Society 120, 1973, s. 1289-92.
[18] K. Shai, J. Wagner, Journal of Solid State Chemistry 42. 1982. s. 107-119.
[19] P. Knauth, J. Debierre, G. Albient, Solid State Ionics 121, 1999, s. 101-106.
[20] S. Fuitsu, K. Koumoto and H. Yanagida. Solid State Ionics 18/19,1986. s. 1146-49.
[21] S. Fujitsu, M. Koumoto, H. Yanagida, T. Kanazawa, Journal of Materials Science 20, 1985, s. 2103.
[22] M. Bućko, G. Róg, [w:] Fourth Euroceramics 5, 1995, s 365-72.
[23] M. Bućko, G. Róg, |w:] Fourth Euroceramics 5, 1995, s. 421-426.
[24] K. Hariharan, J. Maier, Journal of the Electrochemical Society 142 (10), 1995, s. 3469-73.
[25] N. F. Uvarov, V. P. Isupov, V. Sharama and K. Shukla, Solid State Ionics 51.1992, s. 41-52.
[26] J. Wagner, Materials Research Bulletin 15,1980, s.1691-1701.
[27] J. Meier, Journal of the Electrochemical Society 134. 1987, s. 1524-35.
[28] J. Jamnik, J. Maier, Solid Stale Ionics 119, 1999, s. 191-198.
[29] A. Bunde, W. Dieterich, Journal of Electroceramics 5, 2000, s. 81-92.
[30] M. Bell, M. Sayer, D. Smith, P. Nicholson, Solid State Ionics 9/10,1983 s. 731-34.
[31] D. Hann, M.Choi, Journal of Electroceramics 21, 1998, s. 57-66.
[32] P. Kanuth, Journal of Electroceramics 5.1998, s. 111-25.
[33] D. Maclachlan, Journal of Electroceramics 5,1998, s. 93-110.
[34] N. Dudney. Journal of the American Ceramic Society 68. 1985, s. 538-45.
[35] J. Meier, [w:] Superionic solids and solid electrolytes. Recent Trends Ed. A. Lasker, S. Chandra. Academic Press Inc., London 1989, s. 137-84.
[36] J. Baumard, P. Abelard,[w:] Advances in Ceramics vol. 12, Science Technology of Zirconia, tom II, N. Clausen. A, H. Heuer. American Ceramic Society Inc. 1984, s. 555-71.
[37] A. Kumar, D. Rajdev, D. L. Douglass, Journal of the American Ceramic Society 55 (9), 1972, s. 439-45.
[38] J. Fergus. Journal of Power Sources 162, 2006. s 30-40.
[39] X. Liu, G. Li, J. Tong, D. Chen, Ceramic International 30, 2004, a 2057-2059.
[40] N. Q. Minh. Journal of American Ceramic Society 76,1993, s. 563.
[41] D. Bartolomeo, M. Grilli, Journal of the European Ceramic Society 25, 2005, s. 2959-2964.
[42] M. S. Haile, Acta Material's 51. 2003. s. 5981-6000.
[43] S. P. Badwal, Solid State Ionics 143, 2001, s. 39-46.
[44] H. Tietz, H. Buchkremer, D. Stover, Solid State Ionics 152-153. 2002, s 373-381.
[45] Y. J. Leng, S. H. Chan, S. P. Jiang, K. A. Kohor, Solid State Ionics 170, 2004. s. 9-15.
[46] B. C. H. Steele, Solid State Ionics 134, 2000, s. 3-20.
[47] K. Eguchi, T. Setoguchi, T. Inoue, H. Arai, Solid State Ionics 52, 1992 s. 165-172.
[48] J. Molenda, K. Świerczek, W. Zając, Przemysł chemiczny 84/11, 2005. s. 845-852.
[49] T. He, Q. He, L. Pei, Y. Ji, Journal of the American Ceramic Society 89 (8), 2006.
[50] H. Yamaura, T. Ikuta, H. Yahiro, G. Okada. Solid State Ionics 176, 2005. s. 269-274.
[51] J. Will, A. Mitterdorfer, C. Kleinogel, D. Perednis, J. Gauckler, Solid State Ionics 131, 2000, s. 79-96.
[52] L. Besra, Ch. Compson, M. Liu, Journal of the American Ceramic Society 89 (10), 2006, s. 3003-3009.
[53] Y. Zhang, X. Huang, Z. Lu, Z. Liu, X. Ge, J. Xu, X. Xin, X. Sha, W. Su. Journal of the American Ceramic Society 89 (7), 2006, s. 2304-2307.
[54] X. Liu, G. Li, J. Tong, D. Chen, Ceramic International 30. 2004, s.2057-2059.
[55] I. Abraham, G. Grizner, Journal of the European Ceramic Society 16, 1996, s. 71-77.
[56] A. J. Winnubust, K. Keizer, A. J. Burggaf, Journal of Materials Science 18(17), 1983. s 1958-66.
[57] J. W. Adams, R. Ruh, K. Mazdiyasni, Journal of the Ceramic American Ceramic Society 80, 1997, s. 903-908.
[58] N. Q. Minh, Solid State Ionics 174, 2004. s. 271-277.
[59] X. Guo. Journal of the American Ceramic Society 86 (11), 2003, s. 1867-73.
[60] A. Yuazaki, K. Kishimotto, Solid State Ionics 116,1999, s. 47-51.
[61] J. Dreenman, G. Auchterone, Solid State Ionics 134,2000, s. 75.
[62] A. Mandani, A. Cheikh-Amoundi, A. Touati, M. Labidi, H. Boussetta, C. Monty, Sensors and Actuators B 109,2005, s. 107-111.
[63] E. Butler, J. Drennan, Journal of the American Ceramic Society 65, 1982, s. 474.
[64] X. Guo, Solid State Ionics 96, 1997. S. 247-254.
[65] M. Bućko, Ceramics 66,2001, s. 547-554.
[66] M. Bućko, Ceramics 61, 2000, s. 95-102.
[67] S. Tekeli, Materials and Design 27, 2006, s. 230-235.
[68] M. Bućko, W. Pyda, Journal of Materials Science 40, 2005, s. 5191-5198.
[69] M. Bućko, W Pyda. Kompozyty 3 (2003) s. 41-46.
[70] X. Li, M. Chen, Journal of the American Ceramic Society 88, 2005. s. 456-458.
[71] H. Inaba, H. Tagawa, Solid State Ionics 83,1996. s. 1-16.
[72] S. Zha, Ch.Xia, G. Meng, Journal of the Power Sources 115, 2003, s. 44-48.
[73] C, Lu, W. Worrel, R. J Gorte, J. M. Vohs, Journal of the Electrochemical Society 150 (3), 2003. s. A354-358.
[74] K. Huang, J. Wan, J. B. Goodenough. Journal of Materials Science 36, 2001. s. 1993-1098.
[75] R. Mukundan, L. Brosha, D. Brown, H. Garzon, Electrochemical and Solid State Letters Z (8), 2003, s. 412-416.
[76] N. Yamazone, Sensors and Actuators B 108, 2005, s. 2-14.
[77] V. V. Kharton, F. M. Figuerido, L. Navarro, E. N. Naumovich, A. V. Kovalesky, A. Yaremchenko, A. P. Viskup, A. Carneiro, F. M. Marques. J. F. Frade, Journal of Materials Science 36, 2001, s 1105-1107.
[78] Y. Xiong, K. Yamajl, T. Horita, N. Sakai, Journal of the Electrochemical Society 151, 2004, s. 407-412.
[79] G. B. Jung, T. Huang. Journal of the Materials Science 35, 2003, s. 2461-2468.
[80] T. S. Zhang, J. Ma, L. B. Kong, P. Hing. J. Kilner, Solid Slate Ionics 167, 2004. s. 191-196.
[81] A. Selcuk, A. Atkinson, Journal of the European Ceramic Society 17, 1997, s. 1523-1532.
[82] R. J. Ball, R. J. Stevens, Journal of Materials Science 38 (2003) 1413-1423.
[83] J. Park. E. D. Wachsman. Journal of the American Ceramic Society 88, 2005, s 24202-2408.
[84] E. D.Wachsman.Solid State Ionics152-153(2002)657-662.
[85] E. D. Wachsman, P. Jayaweera, N. Jiang, D.M. Lowe, B.G. Pound, Journal of the Electrochemical Society 144(1) 1997 233-236.
[86] S. Tomita, S. Teranishi, M. Nagato, T. Hibinio, M. Sano, Journal of the Electrochemical Society 153 (6). 2006. s. A956-960.
[87] T. Hirabayashi, D. Tomita, Y. Teranishi, T. Hibinio, M. Sano, Solid State Ionics 176 (2005)881-887.
[88] T. Etsell, S. Flangas. Journal of the Electrochemical Society 119 (1972) 1-7.
[89] W. Pluschkell, Archiv fuer das Eisenhuettenwesen 46 (1975) 11-18.
[90] E. C. Subbarao, P. Sutter, J. Hrizo. Journal of the American Ceramic Society (48) 1965 443-448.
[91] B. Heshmatpour, D. Stevenson, Journal of Applied electrochemistry 11(1981)433-442.
[92] K. T. Jacob, Y. Waseda, Termochimica Acta (239) 1994, s 233-241.
[93] W. Fischer, D. Janke, Archiv fuer das Eisenhuettenwesen, 45 (1975) 477-482.
[94] W. Fischer, D. Janke, Archiv fuer das Eisenhuettenwesen, 47 (1976) 51-56.
[95] C. Wang, X. Xu. H. Yu, Y. Wen and K. Zhao. A study of the solid electrolyte Y2O3-doped CaZrO3 Solid State Ionics, (87) 1988, 542-545.
[96] D. Pretis, Silicates Industrials 1984 (7-8) 139-142.
[97] M. Dudek, M. Bućko, G. Róg, A. Kozłowska-Róg, Ceramika/Ceramics 84, 2004,s. 171-176.
[98] M. Dudek, G. Róg, W. Bogusz, M. Bućko, A. Kozłowska-Róg, Kompozyty, 5 (2004)4 9-14.
[99] M. Dudek, G. Róg, W. Bogusz, M. Bućko, A. Kozłowska-Róg, Annals of Polish Chemistry, (w druku).
[100] H. Rokokowa, T. Horita, N. Sakai, K. Yamaji, M. Brito, Y. Xiong, H. Kishimoto, Solid State Ionics 177, 2006, s. 3193-3198.
[101] S. C. Paulson, V. I. Briss, Journal of the Electrochemical Society 151(2004) 1961.
[102] S. Taniguchi, M. Kadowski, H. Kawamura, T.Yasuo, Y.Akiyama,, Y. Miyake, T. Saitoh, Journal of Power Sources S5 (1995) 73-78.
[103] S. P. Jang, S. Zhang, Y. D. Zhen, Journal of the Electrochemical Society 153(2006)127-134.
[104] A. Kozłowska-Róg, G. Róg, Thermodynamics of Nickel Chromite. Roczniki Chemii 47(1973), 869-870.
[105] H. Schmalzried, Yu. D. Tret'yakov. Ber Bunsenges physik Chem. 69(1965), 396-399.
[106] W. Kunnmann, D. R. Rogers, A. Wold. Journal Physical Chemistry of Solids 24 (1963) 1535.

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-article-BOS5-0015-0093