可逆固體氧化物電池(RSOC)是一種綠色高效的全固態(tài)結(jié)構(gòu)電化學能量轉(zhuǎn)化裝置。在固體氧化物燃料電池(SOFC)工作模式下,它可以將碳氫燃料和氧化劑中的化學能在不經(jīng)過燃燒環(huán)節(jié)的情況下直接、清潔、高效地轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔,發(fā)電效率可達60%,熱電聯(lián)供效率則能超過80%;在固體氧化物電解池(SOEC)工作模式下,也可以90%以上的電效率將可再生能源轉(zhuǎn)化為化學能進行儲存,除了用于大規(guī)模制備高純氫氣,還可以將CO2的高效轉(zhuǎn)化為CO,是一種真正的“負碳技術(shù)”。
目前應用最多的可逆固體氧化物電池為平板式結(jié)構(gòu),核心組成部件包括致密電解質(zhì)、多孔的燃料電極與氧電極。實際應用中,對RSOC的電解質(zhì)的要求為在工作溫度范圍(650~850℃)內(nèi),在氧化與還原氣氛下都需要保持化學性質(zhì)的穩(wěn)定性,具有足夠高的氧離子導電能力與非常低的電子電導率。迄今為止,具有螢石結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定氧化鋯材料是RSOC中研究最多、應用最為廣泛的電解質(zhì)體系,氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(3YSZ、5YSZ和8YSZ)、氧化鈧與氧化鈰穩(wěn)定的氧化鋯(10Sc1CeSZ)均得到了實用驗證。由于RSOC電池的高溫運行環(huán)境會導致電池和電池堆部件容易出現(xiàn)性能衰減甚至失效問題,因此RSOC技術(shù)的中低溫化是其發(fā)展的重要方向,這對氧化鋯基電解質(zhì)材料的粉體也提出了更高的要求。
在RSOC電池的多孔燃料電極制備過程中,通常將摻雜氧化鋯YSZ與Ni金屬復合用于制備燃料極支撐體及功能層,金屬相能夠提供電子電導,氧化鋯相則提供離子電導并能抑制Ni顆粒的燒結(jié)團聚。優(yōu)化RSOC電池的燃料電極的微觀組成可以提高全電池的輸出性能及其穩(wěn)定性,因此也需要不同規(guī)格的氧化鋯體系粉體。摻雜的氧化鋯材料也常被用來與LaMnO3體系進行混合制作RSOC電池的復合氧電極,氧化鋯相的加入同樣也能提高氧電極的離子電導率。
目前國內(nèi)外數(shù)十家公司都在RSOC領(lǐng)域有所布局,這個領(lǐng)域正在一步步打開市場,氧化鋯基材料在該領(lǐng)域的應用前景也越來越廣闊?赡婀腆w氧化物電池的最新發(fā)展對于氧化鋯粉體材料的制備和應用提出了哪些要求,以及未來將往何種方向發(fā)展等,都是行業(yè)內(nèi)密切關(guān)注的熱點。