组件不仅在操作温度下相容，同时也要在电池组件烧制温度下保持化学相容性；

⑦此外还

应具备高强度、高韧性、易加工、低成本等特点。目前对于

SOFC 固体电解质材料的研究，开

展的研究主要集中在以下几种材料：氧化铋（

Bi

2

O

3

）基电解质、氧化铈（

CeO

2

）基电解质、

镓酸镧（

LaGaO

3

）固体电解质与氧化锆（

ZrO

2

）基电解质。目前，其中

SOFC 电解质中研

究时间最长，应用最成功的是萤石结构的氧化锆基掺杂电解质材料，其中应用最广泛的主
要为

YSZ（Y

2

O

3

稳定的

ZrO

2

），

YSZ 抗氧化还原的稳定性好，价廉易得，在高温下具有足

够高的氧离子导电率、良好的化学稳定性和机械性能，而且

YSZ 的离子电导率在氧分压变

化十几个数量级时，都不发生明显的变化，此外，在

SOFC 制作和工作环境中，YSZ 表现

出高稳定性和与气压组元间良好相容性，因而被广泛应用于制备

SOFC 的电解质材料。

4.1 氧化锆系电解质
4.1.1 氧化钇稳定的氧化锆

YSZ（Y

2

O

3

稳定的

ZrO

2

）具有卓越的热稳定性和化学稳定性、优异的力学性能以及在

较宽的氧分压范围内呈现纯氧离子导电特性等优点，是

SOFC 最常用的电解质材料之一。氧

化锆（

ZrO

2

）具有化学性能稳定、热导率低、热稳定性好及高温蠕变小等性质，是一种用途

广泛的陶瓷材料。随着温度的变化它有三种晶型，及单斜相（

m）、四方相（t）、和立方萤石

结构（

c），三种晶型转变温度依次为 1170

℃、2370℃，当 2715℃后为液相。纯的氧化锆室

温下为单斜相，离子电导率很低一方面，因为它的离子导电率太低，在

1000

℃时具有 10

-

7

S/cm 的电导率，接近于绝缘物质，而且伴随冷热循环，会发生突发性相变，引起很大的体

积转变，不适合做电解质，所以常在氧化锆中掺入一定量的二价或三价金属氧化物后，可
得到全稳定的立方萤石结构的氧化锆，如图所示，每个锆离子由八个氧离子所包围，形成
体心立方结构；同时每个氧粒子由四个锆粒子所包围，形成正四面体排列。当掺入二价或三
价金属离子后，取代部分锆离子，同时为保持电中性平衡，产生一定量氧空位，形成了室
温下稳定的立方萤石结构氧化锆。

4.2.2 氧化钪稳定的氧化锆

YSZ 材料虽然具有很多优点，但其工作温度必须在 1000

℃左右才能达到足够的离子电

导率，温度过高带来电池成本高、封装困难、稳定性差等问题。所以

ZrO

2

的掺杂改性，提高

其电导率成为目前一个重要的研究方向，不同稀土氧化物稳定

ZrO

2

的电导率数据如表所示，

从表中可以看出，掺杂效果比较好是

Sc

2

O

3

掺杂的

ZrO

2

（

SSZ），其电导率同等温度下比

YSZ 的电导率高 2～4 倍。SSZ 系统的高电导率很多程度归因于其较低的氧离子迁移能。