纳米颗粒衍生YSZ电解质膜的低温致密化新方法及其在固体氧化物电池中的应用

针对传统氧化钇稳定氧化锆(YSZ)电解质膜需1400°C以上高温烧结的瓶颈问题，研究人员创新性提出水热-真空过滤联用技术，在1100°C低温下成功制备出致密一体化YSZ膜。该膜具有<10 nm晶粒尺寸和0.02 S/cm@800°C的优异电导率，为固体氧化物电池(SOC)的低能耗制造提供了新方案。

　　

在能源转型的全球背景下，固体氧化物电池(SOC)因其高达60%的能量转换效率和环境友好特性，成为清洁能源领域的研究热点。作为SOC核心部件的电解质膜，其性能直接决定电池效率和使用寿命。氧化钇稳定氧化锆(YSZ)凭借优异的氧离子电导率和化学稳定性，长期占据电解质材料研究的主导地位。然而传统YSZ膜制备需要1400°C以上的高温烧结，这不仅造成巨大能耗，还会引发电极材料微观结构粗化、电解质-电极界面副反应等问题，严重制约SOC技术的商业化进程。

针对这一行业痛点，中国的研究团队在《Journal of Membrane Science》发表创新成果。研究人员通过精确调控水热合成参数，成功获得晶粒尺寸<10 nm的单相四方晶YSZ纳米颗粒；结合真空过滤技术抑制颗粒团聚，在创纪录的1100°C低温下制备出致密度>99%的自支撑电解质膜。该膜在800°C时氧离子电导率达到0.02 S/cm，性能显著优于传统干压成型法制备的样品。这项研究为突破SOC制造成本瓶颈提供了关键技术路径。

关键技术方法包括：1) 采用水热法在180-250°C合成YSZ纳米颗粒；2) 通过XRD、TEM等表征手段优化钇(Y)掺杂量和相结构；3) 创新性引入真空过滤结合PVA添加剂实现纳米颗粒均匀组装；4) 采用低温烧结工艺构建连续晶界网络。

【材料特性调控】
通过调节水热反应的温度、时间和Y掺杂量，获得单一四方相结构的YSZ纳米晶。当Y₂O₃掺杂量为8mol%时，材料晶格畸变产生的氧空位浓度最优，且能有效抑制烧结过程中的单斜相转变。

【膜制备工艺对比】
真空过滤法相比传统干压法，使生坯密度提升23%，烧结后膜内闭孔率降低至0.5%以下。HRTEM显示该方法形成的晶界呈原子级清洁状态，有利于氧离子传输。

【电化学性能】
低温烧结膜在600-800°C区间的活化能仅为0.89 eV，显著低于高温烧结样品(1.2 eV)。阻抗谱分析证实，纳米晶粒构建的三维连通晶界网络是提升电导率的关键因素。

这项研究实现了三大突破：首次将YSZ致密化温度降低至1100°C；阐明纳米晶界对氧离子传输的促进作用；开发出可规模化生产的真空过滤成型工艺。该成果不仅使SOC制造成本降低30%以上，其低温制备理念更为其他陶瓷电解质体系提供了普适性研究范式。值得注意的是，研究中发现的Y掺杂诱导晶格畸变机制，对设计新型高导电电解质材料具有重要指导价值。未来通过优化纳米颗粒组装方式，有望进一步将烧结温度降至1000°C以下，推动SOC技术在分布式能源领域的广泛应用。