CN110061274B - 经掺杂氧化钪稳定的氧化锆电解质组合物 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例涉及经掺杂氧化钪稳定的氧化锆电解质组合物，其包含利用氧化钪以及利用氧化镁、氧化锌、氧化铟及氧化镓中的至少一者且任选地除上述氧化物以外还利用氧化铈来稳定的氧化锆。

Description

经掺杂氧化钪稳定的氧化锆电解质组合物
分案申请的相关信息
本案是分案申请。该分案的母案是申请日为2013年11月19日、申请号为201380060253.1、发明名称为“经掺杂氧化钪稳定的氧化锆电解质组合物”的发明专利申请案。
相关申请案交叉参考
本申请案主张2012年11月20日提出申请的序列号为61/728,270及2013年3月15日提出申请的序列号为61/792,699的美国临时申请案的权益，所述临时申请案以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明一般来说针对于燃料电池组件，且特定来说针对于固体氧化物燃料电池电解质材料。
背景技术
燃料电池是可以高效率将燃料中所存储的化学能量转化成电能的电化学装置。其在电极之间包括电解质。固体氧化物燃料电池(SOFC)的特征在于使用固体氧化物作为电解质。
在固体氧化物燃料电池(SOFC)系统中，氧化流通过燃料电池的阴极侧，而燃料流通过燃料电池的阳极侧。氧化流通常为空气，而燃料流可为烃燃料，例如甲烷、天然气、戊烷、乙醇或甲醇。在介于650℃与950℃之间的典型温度下操作的燃料电池使得带负电荷的氧离子能够从阴极流动流(flow stream)传输到阳极流动流，其中所述离子与游离氢或烃分子中的氢组合以形成水蒸气及/或与一氧化碳组合以形成二氧化碳。来自带负电荷的离子的过剩电子穿过在阳极与阴极之间完成的电路路由回到燃料电池的阴极侧，从而使得电流穿过所述电路。
近年来，已展示人们对研发高离子导电率的SOFC电解质组合物相当感兴趣。经掺杂氧化铈、镓酸镧及氧化锆为最适合候选物。然而，为了实现充足离子导电率，经常需要高操作温度，从而使燃料电池组件的寿命退化且在燃料电池堆叠中需要使用昂贵材料，例如铬合金互连件。因此，降低SOFC的操作温度是高度合意的，且实现此目的的一个重要步骤是研发离子导电率高于经氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)(目前最先进SOFC电解质材料)的电解质组合物。
用异价掺杂剂掺杂氧化锆在室温下使高温立方萤石相稳定，从而导致氧空位浓度、氧迁移率及离子导电率增加。复杂研究已证明掺杂剂与主体离子半径之间的相关性及存在可确保最大导电率的临界掺杂剂阳离子半径。已表明，掺杂剂与主体之间的相对离子不匹配的良好评估将为将主体氧化物的立方晶格参数与掺杂剂氧化物的伪立方晶格参数进行比较，较小的大小不匹配对于获得高离子导电率为优选的。
已进行众多尝试来寻找用于稳定立方相的适当掺杂剂(Y、Yb、Ce、Bi等)。在这些掺杂剂当中，经氧化钪稳定的氧化锆由于活化能低于YSZ而在11摩尔％的Sc3+浓度(在800℃下比YSZ高2到3)下展示最高离子导电率。由于在低温下出现单斜、正方及菱形中间相，因此Sc2O3-ZrO2系统中的复杂相图仍有争议，其中在相图的富含掺杂剂区段中识别出若干相。一个实例为扭曲菱形β相(Sc2Zr7O17)，其在600℃到700℃左右经历菱形相-立方相转变且在此温度区中诱导导电率的急剧减小。此转变从热膨胀不匹配的观点来说为不利的且可能与氧空位的有序-无序转变有关。
在氧化锆系统中进行共掺杂可产生具有经增强离子导电率的更便宜的稳定组合物。氧化钪氧化锆系统中的共掺杂剂包含Ce、Y、Yb及Ti，前者(1摩尔％CeO2)在于室温下稳定立方相方面为迄今为止最成功的且极高导电率值已由李(Lee)等人测得，在空气中于800℃下为135mS/cm(SSI 176(1-2)33-3(2005))。然而，已报导由于存在Ce3+而对于尤其与燃料电极的界面处的长期稳定性的担忧。
一般来说，使用CaO或MgO通过在室温下稳定正方相来改进氧化锆陶瓷的韧性。
然而，由于立方萤石ZrO2-CaO及ZrO2-MgO固溶体的高缺陷缔合倾向性以及较低热力学稳定性，因此对于仅用碱土金属阳离子掺杂氧化锆的先前研究在改进导电率方面是不成功的。
发明内容
固体氧化物燃料电池(SOFC)电解质组合物包含利用氧化钪以及利用氧化镁、氧化锌、氧化铟及氧化镓中的至少一者以及任选地利用氧化铈来稳定的氧化锆。
本发明另一实施例提供一种用于固体氧化物燃料电池的电解质组合物，其包含利用氧化钪及氧化铟稳定的氧化锆，其中氧化钪及氧化铟是以大于或等于10mol％且小于或等于13mol％的总量存在。本发明的另一实施例提供利用氧化钪、氧化铟及氧化铈稳定的氧化锆，其中氧化钪、氧化铟及氧化铈是以大于或等于8mol％且小于或等于14mol％(例如11mol％)的总量存在。
附图说明
图1A到1D是图解说明经氧化镁掺杂氧化钪稳定的氧化锆组合物的实施例系列的三元相图。
图2A到2D是展示经氧化镁掺杂氧化钪稳定的氧化锆组合物的实施例系列中组合物的x射线衍射图案的曲线图。
图3是图解说明经氧化镁掺杂氧化钪稳定的氧化锆组合物的实施例系列中组合物的结构的三元相图。
图4A及4B是来自经氧化镁掺杂氧化钪稳定的氧化锆组合物的实施例系列中试样组合物的反向散射电子图像。
图5A是展示经氧化镁掺杂氧化钪稳定的氧化锆组合物的实施例系列在850℃下的D.C.导电率对镁离子的原子百分比的图形。
图5B到5G是展示经氧化镁掺杂氧化钪稳定的氧化锆组合物的实施例系列中试样组合物的电阻抗图谱结果的图形。
图6A是展示经氧化镁掺杂氧化钪稳定的氧化锆组合物的实施例系列在850℃下的D.C.导电率对钪离子的原子百分比的图形。
图6B是展示经氧化镁掺杂氧化钪稳定的氧化锆组合物的实施例系列在850℃下的D.C.导电率对氧化学计量的图形。
图6C是展示经氧化镁掺杂氧化钪稳定的氧化锆组合物的实施例系列在850℃下的D.C.导电率结果的三元相图。
图7A是经氧化钇及氧化镁掺杂氧化钪稳定的氧化锆组合物的两个实施例系列的三元相图。
图7B及7C是展示经氧化钇及氧化镁掺杂氧化钪稳定的氧化锆组合物的两个实施例系列中组合物的x射线衍射图案的曲线图。
图8A是展示经氧化钇及氧化镁掺杂氧化钪稳定的氧化锆组合物的两个实施例系列在850℃下的D.C.导电率对钇离子的原子百分比的图形。
图8B到8E是展示经氧化钇及氧化镁掺杂氧化钪稳定的氧化锆组合物的实施例系列中试样组合物的电阻抗图谱结果的图形。
图9A到9D是展示经氧化钇及氧化镁掺杂氧化钪稳定的氧化锆组合物的两个实施例系列中试样组合物的电阻抗图谱结果的图形。
图10A是展示经氧化镁掺杂氧化钪稳定的氧化锆组合物的实施例系列以及经氧化钇及氧化镁掺杂氧化钪稳定的氧化锆组合物在850℃下的D.C.导电率对钪离子的原子百分比的图形。
图10B是展示经氧化镁掺杂氧化钪稳定的氧化锆组合物的实施例系列以及经氧化钇及氧化镁掺杂氧化钪稳定的氧化锆组合物在850℃下的D.C.导电率对氧化学计量的图形。
图11A是展示经氧化锌掺杂氧化钪稳定的氧化锆组合物的实施例系列中试样组合物的x射线衍射图案的曲线图。
图11B是图11A的x射线衍射图案对于2θ＝25到50的范围内的角度的展开视图。
图11C是图11A的x射线衍射图案对于2θ＝80到88的范围内的角度的展开视图。
图12A是将经氧化镁掺杂氧化钪稳定的氧化锆组合物的实施例系列与经氧化锌掺杂氧化钪稳定的氧化锆组合物的类似系列在850℃下的D.C.导电率进行比较的图形。
图12B是展示经氧化铟掺杂氧化钪稳定的氧化锆组合物的实施例系列的x射线衍射图案的曲线图。
图12C是展示经氧化铟掺杂氧化钪稳定的氧化锆组合物的实施例系列在850℃下的D.C.导电率对氧化铟的摩尔百分比的图形。
图13A是展示经氧化铟及氧化镁掺杂氧化钪稳定的氧化锆组合物的实施例系列以及经氧化铟掺杂氧化钪稳定的氧化锆组合物的实施例系列的电子衍射图谱图案的曲线图。
图13B是展示利用不同量的氧化铟及氧化镁掺杂的经氧化钪稳定的氧化锆组合物的实施例系列中试样组合物的x射线衍射图案的曲线图。
图14A到14D是展示利用不同量的氧化钇、氧化镁、氧化铟及/或氧化锌掺杂的经氧化钪稳定的氧化锆组合物的实施例系列中试样组合物的电阻抗图谱结果的图形。
图15是利用不同量的氧化钇及氧化镓掺杂的经氧化钪稳定的氧化锆组合物的实施例系列的三元相图。
图16A是展示利用不同量的氧化钇及氧化镓掺杂的经氧化钪稳定的氧化锆组合物的实施例系列中试样组合物的x射线衍射图案的曲线图。
图16B是图16A的x射线衍射图案对于2θ＝82到85的范围内的角度的展开视图。
图17A是展示利用不同量的氧化钇及氧化镓掺杂的经氧化钪稳定的氧化锆组合物的实施例系列在850℃下的D.C.导电率对钇及镓离子的原子百分比的图形。
图17B是展示利用不同量的氧化钇及氧化镓掺杂的经氧化钪稳定的氧化锆组合物的实施例系列在850℃下的D.C.导电率对钪离子的原子百分比的图形。
图18是展示利用氧化钇、氧化镓及氧化镁掺杂的经氧化钪稳定的氧化锆组合物的实施例系列在850℃下的D.C.导电率对镓离子的原子百分比的图形。
图19A是展示利用氧化铟及氧化铈掺杂的经氧化钪稳定的氧化锆的各系列试样组合物在850℃下的D.C.导电率随钪含量而变化的图形。
图19B是展示利用氧化铟及氧化铈掺杂的经氧化钪稳定的氧化锆的各系列试样组合物在850℃下的D.C.导电率随铟含量而变化的图形。
图19C是展示利用氧化铟及氧化铈掺杂的经氧化钪稳定的氧化锆的各系列试样组合物在850℃下的D.C.导电率随钪对铟的比率而变化的图形。
图20A是展示具有不同掺杂剂组合的经氧化钪稳定的氧化锆组合物的实施例系列在850℃下的D.C.导电率随钪含量而变化的图形。
图20B是展示具有不同掺杂剂组合的经氧化钪稳定的氧化锆组合物的实施例系列在850℃下的D.C.导电率随氧化学计量而变化的图形。
图21是展示利用氧化镁掺杂的经氧化钪稳定的氧化锆组合物的两个实施例系列的试样高导电率组合物的三元相图。
具体实施方式
各种实施例提供用于SOFC的电解质的组合物，其包含经掺杂氧化钪稳定的氧化锆。在一实施例中，将氧化锆与钪及异价原子共掺杂且通过共沉淀制备氧化锆。
由于相组成及导电率两者可能非常依赖于合成条件，因此众多研究集中于研发合成及烧结技术。已知固态合成因阳离子迁移的缓慢动力学而导致相不均一性，因此相形成可能需要高烧结温度。可证明例如共沉淀、燃烧及溶胶-凝胶等替代技术在实现组成均一性及高致密化程度方面更为成功。
在各种实施例中，可使用共沉淀获得粉末，所述共沉淀包含将化学计量量的钪以及将氧化镁或碳酸镁、氧化锌、氧化铟及/或氧化镓中的至少一者(及除上述氧化物以外任选地还将氧化钇，取决于组合物)溶解于热HNO3中，后续接着与乙酰丙酮锆或其它Zr前体化合物已经溶解于其中的水溶液混合。可在于热板上加热的情况下搅拌混合物，接着将其冷却到室温且用氨沉淀直到pH＝9。所形成沉淀物可经过滤，干燥并在1200℃下煅烧5小时。可将所得粉末粉碎，球磨并压制成丸粒及条以将其在1500℃到1550℃下经7小时烧结成致密体。经烧结产物可使用X射线衍射、粒子大小分析、SEM、TEM及导电率测量来表征。为了获得在高温下离子导电率的准确值，可分离出块体及颗粒边界对试样的总电阻的贡献。
在制备这些新的电解质组合物时，母体电解质材料可具有约89:11(例如87到91:13到9)的氧化锆(ZrO2):氧化钪(Sc2O3)的摩尔比。在一实施例中，氧化锆可利用至多11％摩尔百分比(mol％)的氧化镁(MgO)或具有异价阳离子(例如，Mg2+)的其它离子氧化物掺杂，同时使Sc或Zr的原子百分比保持恒定。在其它实施例中，氧化锆可利用氧化镁、氧化钇、氧化锌及/或氧化铟中的一或多者的组合掺杂。在其它实施例中，氧化锆可利用氧化镁、氧化钇及氧化镓中的一或多者的组合掺杂。
在一实施例中，氧化镁可用作替代经氧化钪稳定的氧化锆中的氧化钪的掺杂剂。下文进一步详细论述4个实例性系列组合物。
一个实例性系列组合物(“A-系列”)可基于11mol％Sc2O3的组合物制备，且可具有化学式Zr0.802Sc0.198-xMgxO1.90-0.5x。展示此实例性A-系列组合物的三元相图图解说明于图1A中。在A-系列组合物中，Sc3+离子可由Mg2+离子以1:1比率替代，借此降低所述组合物的钪及氧含量，同时使氧化锆含量保持恒定。上述化学式中可用于形成A-系列的x值为：0、0.009、0.018、0.027及0.036，借此产生以下组合物：
A0：Zr0.802Sc0.198O1.90
A1：Zr0.802Sc0.189Mg0.009O1.90
A2：Zr0.802Sc0.180Mg0.018O1.89
A3：Zr0.802Sc0.171Mg0.027O1.89
A4：Zr0.802Sc0.162Mg0.036O1.88
在此实例性系列中，在x＝0下，Sc3+离子未被替代，且因此Sc3+离子的原子百分比等于母体材料中的原子百分比(即，19.8％)。在所测试最高x值(x＝0.36)下，钪离子的原子百分比变得最低(即，16.2％)。
另一实例性系列组合物(“B-系列”)可基于11mol％Sc2O3的组合物制备。B-系列组合物的化学式可为Zr0.802+xSc0.198-2xMgxO1.90。图1B是展示B-系列组合物的三元相图。在此实例性系列中，两个Sc3+离子可由一个Zr4+及一个Mg2+离子替代，借此降低钪含量，同时使氧含量及化学计量保持恒定在1.90。可用于形成此B-系列的x值为：0、0.009、0.0135、0.018、0.027及0.036，借此产生以下组合物：
B0：Zr0.802Sc0.198O1.90
B1：Zr0.811Sc0.18Mg0.009O1.90
B1.5：Zr0.815Sc0.171Mg0.0135O1.90
B2：Zr0.820Sc0.162Mg0.018O1.90
B3：Zr0.829Sc0.144Mg0.027O1.90
B4：Zr0.838Sc0.126Mg0.036O1.90
在此实例性系列中，在x＝0下，Sc3+离子未被替代，且因此Sc3+离子的原子百分比等于母体材料中的原子百分比(即，19.8％)。在所测试最高x值(x＝0.036)下，钪离子的原子百分比为最低(即，12.6％)。展示此实例性B-系列组合物的三元相图图解说明于图1B中。
其它实例性系列组合物(“G-系列”及“H-系列”)可维持恒定氧化钪含量并通过用Mg离子替代Zr离子来增加氧化镁水平，借此降低锆及氧的水平。实例性G-系列组合物可基于具有5.3mol％Sc2O3的母体组合物制备，且可具有化学式Zr0.9-xSc0.1MgxO1.95-x。展示此实例性G-系列中的组合物的三元相图图解说明于图1C中。可用于形成G-系列组合物的x值为：0、0.025、0.05、0.075及0.10，借此产生以下组合物：
G0：Zr0.9Sc0.1O1.95
G1：Zr0.875Sc0.1Mg0.025O1.925
G2：Zr0.85Sc0.1Mg0.05O1.90
G3：Zr0.825Sc0.1Mg0.075O1.875
G4：Zr0.80Sc0.1Mg0.10O1.85
在x＝0下，未添加Mg2+离子，且因此Sc3+离子的原子百分比等于母体材料中的原子百分比(即，10.0％)。在最高x值(x＝0.10)下，锆离子的原子百分比为最低(即，80.0％)。
另一实例性系列组合物(“H-系列”)可基于8.1mol％Sc2O3的母体组合物制备。H-系列组合物可具有化学式Zr0.85-xSc0.15MgxO1.925-x。展示实例性H-系列组合物的三元相图图解说明于图1D中。可用于形成H-系列组合物的x值为：0、0.025、0.05、0.075及0.10，借此产生以下组合物：
H0：Zr0.85Sc0.15O1.925
H1：Zr0.825Sc0.15Mg0.025O1.90
H2：Zr0.80Sc0.15Mg0.05O1.875
H3：Zr0.775Sc0.15Mg0.075O1.85
H4：Zr0.75Sc0.15Mg0.10O1.825
X射线衍射图案可确定每一经氧化镁掺杂氧化钪稳定的氧化锆组合物在室温下的稳定相。实例性A-系列、B-系列、G-系列及H-系列组合物中的组合物在室温下的相展示于下表1中：
组合物 存在的相 空间群
A0、B0 菱形 R-3C
A1 菱形 R-3C
A2 立方 Fm-3m
A3 立方 Fm-3m
A4 立方 Fm-3m
B1 正方 P42nmc
B1-5 正方 P42nmc
B2 正方 P42nmc
B3 正方 P42nmc
B4 正方 P42nmc
G0 正方+单斜 P42nmc+
G1 正方+单斜 P42nmc+
G2 正方+单斜 P42nmc+
G3 正方+单斜 P42nmc+
G4 正方+单斜 P42nmc+
H0 正方 P42nmc
H1 正方 P42nmc
H2 立方 Fm-3m
H3 立方 Fm-3m
H4 正方 P42nmc
对11mol％Sc2O3的A-系列及B-系列的母体组合物A0、B0的先前研究已发现其在室温下具有菱形结构。在A-系列组合物(x＝0.09)中的最低掺杂水平下，所述结构可保持菱形，而在所有其它掺杂水平下，立方萤石结构可能为稳定的。对于实例性B-系列，所有组合物均可具有正方萤石结构。图2A图解说明实例性B-系列组合物的x射线衍射图案。
对不含镁的G0试样的X射线分析展示存在正方萤石相及单斜萤石相两者，此与鲁哈等人(Ruh 1977)在其研究中的发现一致。图2B图解说明G-系列组合物的x射线衍射(XRD)图案，其展示，增加跨越G-系列的氧化镁含量可减小所存在单斜相的量。举例来说，图2C是图2B中的低角度区域的近视图，其图解说明G-系列组合物的x射线衍射图案，所述x射线衍射图案展示单斜反射的相对峰值高度随着氧化镁含量增加而减小。
关于H-系列组合物，添加具有介于2.5原子％与7.5原子％之间的镁的MgO可使立方相稳定。当镁含量增加到2.5原子％时，所述结构可保持为正方，但当镁含量进一步增加到5.0原子％及7.5原子％时，可使立方结构稳定。镁含量进一步增加到10原子％，正方结构可变得稳定。此示于图2D中，其为H-系列组合物的XRD图案系列。作为烧制相展示B-系列、G-系列及H-系列组合物的三元相图图解说明于图3中。
图4A及4B分别是使用扫描电子显微镜(SEM)拍摄的来自试样B2及H2的反向散射电子(BSE)图像。如通过数据所展示，试样G2可具有精细得多的颗粒结构，此与正方及单斜氧化锆的存在一致。相比之下，试样H2可具有立方氧化锆典型的粗糙得多的微结构。
图5A图解说明B-系列、G-系列及H-系列组合物在850℃下的实例性D.C.导电率测量值随氧化镁含量(镁的经测量原子百分比)的变化。经测量，B1.5组合物(Zr0.815Sc0.171Mg0.0135O1.90)的峰值导电率可为200mS/cm或高于200mS/cm，例如200mS/cm到210mS/cm。
关于G-系列组合物，导电率可跨越整个组合物范围保持小于100m/Scm。这些相对低导电率可与XRD结果一致，所述结果展示在室温下存在不需要的低导电率单斜相。这些低结果还可指示，G-系列的氧化镁及氧化钪水平可能不足以在850℃下使氧化锆的更导电的立方相稳定。相比之下，对于具有5.0原子％或更少镁的组合物，实例性H-系列组合物可展示高于150mS/cm(例如150mS/cm到199mS/cm)的导电率。H2试样(5.0原子％镁)的导电率可随着氧化镁含量大致以线性方式增加到199mS/cm的峰值。进一步增加到7.5原子％镁可导致导电率大幅度下降到79mS/cm。
图5B图解说明展示具有5原子％镁的试样G2及H2组合物的块体导电率的电阻抗图谱(EIS)测量值。图5C图解说明展示跨越试样G2及H2组合物的颗粒边界的导电率的EIS测量值。在400℃下，与较高氧化钪H2试样相比，低氧化钪G2试样可具有更高块体导电率，但更低颗粒边界导电率。随着温度增加，较高氧化钪试样的块体及颗粒边界分量的导电率可能增加得更快，从而在850℃下产生极为优异的导电率。不希望受特定理论约束，G-系列相的大颗粒边界电阻可能归因于较低导电率单斜相的存在。
当H-系列组合物的镁含量从5原子％增加到7.5原子％或更高时，可观察到导电率的大幅度减小。图5D图解说明展示分别具有5原子％及7.5原子％镁的H2及H3试样的总导电率的EIS测量值。图5E图解说明展示跨越H2及H3的颗粒边界的导电率的EIS测量值。图5F图解说明展示H2及H3试样的块体导电率的EIS测量值，而图5G图解说明H2及H3试样的块体电阻率测量值。由这些测量值可观察到，H2及H3试样可具有极其类似的块体导电率，而H3可具有低得多的颗粒边界导电率。因此，1原子百分比到6原子百分比MgO(例如1.3原子百分比到5原子百分比)为优选的。
图6A图解说明B-系列、G-系列及H-系列组合物在850℃下的D.C.导电率测量值随氧化钪含量(测量为氧化钪的原子百分比)的变化。图6B图解说明B-系列、G-系列及H-系列组合物在850℃下的D.C.导电率测量值随氧化学计量的变化。图6C图解说明850℃下的D.C.导电率结果，其呈现于三元组合物图上。这些曲线图指示，可在介于15原子％与19原子％之间的氧化钪含量、小于5原子％(例如，2原子％到5原子％)的氧化镁含量及介于1.875与1.9之间的氧化学计量下实现峰值导电率。
为了进一步减小氧化钪的水平，可研发基于B1.5及B3组合物的两个额外系列组合物。
在另一实施例中，经氧化钪稳定的氧化锆组合物可与氧化镁及氧化钇共掺杂。实例性系列组合物(“E-系列”)可基于10.7mol％Sc2O3的母体组合物制备。E-系列可具有化学式Zr0.815Sc0.171-xYxMg0.0135O1.90。在此系列组合物中，一个Y3+离子替代一个钪离子，而锆、镁及氧水平保持恒定。可用于形成E-系列组合物的x值为：0、0.018、0.036、0.054及0.072，借此产生以下E-系列组合物：
E0：Zr0.815Sc0.171Mg0.0135O1.90.(与B1.5相同)
E1：Zr0.815Sc0.153Y0.018Mg0.0135O1.90
E2：Zr0.815Sc0.135Y0.036Mg0.0135O1.90
E3：Zr0.815Sc0.117Y0.054Mg0.0135O1.90
E4：Zr0.815Sc0.099Y0.072Mg0.0135O1.90
在x＝0下，钪离子未被替代，且钪的原子百分比等于母体组合物(即，17.1％)。在最高x值(x＝0.072)下，钪的原子百分比为所述系列中最低的(即，9.9％)。
另一实例性系列组合物(“F-系列”)可基于7.9mol％Sc2O3的母体组合物制备。F-系列可具有化学式Zr0.829Sc0.144-xYxMg0.027O1.90。可用于制备F-系列组合物的x值为：0、0.018、0.036、0.054及0.072，借此产生以下组合物：
F0：Zr0.829Sc0.144Mg0.027O1.90(与B3相同)
F1：Zr0.829Sc0.126Y0.018Mg0.027O1.90
F2：Zr0.829Sc0.108Y0.036Mg0.027O1.90
F3：Zr0.829Sc0.09Y0.054Mg0.027O1.90
F4：Zr0.829Sc0.072Y0.072Mg0.027O1.90
在此系列组合物中，如在E-系列中，一个Y3+离子替代一个钪离子，而锆、镁及氧水平保持恒定。在x＝0下，钪离子未被替代，且钪的原子百分比等于母体组合物(即，14.4％)。在最高x值(x＝0.072)下，钪的原子百分比为所述系列中最低的(即，7.2％)。实例性E-系列及F-系列组合物的三元相图图解说明于图7A中(氧化钇未展示)。
E-系列及F-系列组合物中的实例的XRD图案分别示于图7B及7C中。E-系列组合物在5.4原子％或更少的钇含量下可为正方且在7.2原子％下可为立方。F-系列组合物可保持正方。在5.4原子％及7.2原子％钇下，F-系列试样还可具有少量单斜相。表2展示实例性组合物E0到E4及F0到F4的室温相。
组合物 存在的相 空间群
E0(B1-5) 正方 P42nmc
E1 正方 P42nmc
E2 正方 P42nmc
E3 正方 P42nmc
E4 立方 Fm3m
F0 正方 P42nmc
F1 正方
F2 正方 P42nmc
F3 正方+单斜 P42nmc
F4 正方+单斜 P42nmc
图8A图解说明E系列及F系列组合物在850℃下的D.C.导电率随所测量的氧化钇含量的变化。如数据所展示，导电率可随着含量增加而发生大致线性减小。对于具有1.8原子％钇的E1，含有氧化钇的试样的最高导电率可为199mS/cm。
图8B图解说明展示E-系列组合物E1、E3及E4的总导电率的EIS测量值。图8C图解说明展示E1、E3及E4的块体导电率的EIS测量值。图8D图解说明展示跨越E1、E3及E4的颗粒边界平面的导电率的EIS测量值。图8E图解说明E1、E3及E4在400℃下的块体电阻率值。
图9A图解说明展示其中的每一者均具有1.8原子％钇的试样E1及F1的总导电率的EIS测量值。图9B图解说明展示E1及F1的块体导电率的EIS测量值。图9C图解说明展示跨越E及F1的颗粒边界平面的导电率的EIS测量值。图9D图解说明E1及F1在400℃下的块体电阻率值。
图10A图解说明系列A、B、G及H(ZrO2-Sc2O3-MgO)以及E及F(ZrO2-Sc2O3-Y2O3-MgO)在850℃下的D.C.导电率对氧化钪含量。此外，图10B图解说明这些系列中每一者在850℃下的D.C.导电率对氧化学计量。含有氧化钇的试样中的高导电率的条件与针对无氧化钇试样所发现的那些条件一致。对于介于15原子％与19原子％之间的钪含量、小于5原子％的镁含量及介于1.875与1.9之间的氧化学计量，可发现最高导电率值。
在另一实施例中，代替氧化镁或除了氧化镁，类似于B-系列组合物的经氧化钪稳定的氧化锆组合物还可利用氧化锌(ZnO)或氧化铟(In2O3)掺杂。
在实例性系列组合物(“B-Zn系列”，其可基于上文所论述的B1.5试样组合物)中，锌离子可替代镁离子。B-Zn系列可具有化学式Zr0.802+xSc0.198-2xZnxO1.90。可用于制备此B-Zn系列组合物的X值为：0、0.0135(对应于B1.5)及0.027(对应于B3)，借此产生以下组合物：
B1.5Zn：Zr0.815Sc0.171Zn0.0135O1.90
B3Zn：Zr0.829Sc0.144Zn0.0270O1.90
具体来说，在此系列中，两个Sc3+离子可由一个Zn2+及一个Zr4+离子替代。当Sc3+由这些离子替代时，氧化学计量保持恒定。此B-Zn系列组合物中的试样组合物的XRD图案图解说明于图11A到11C中，其中图11B及11C是图11A的低及高角度区域的近视图。
B-Zn系列组合物相较于对应B-系列组合物及具有11mol％Sc2O3的母体组合物在850℃下的导电率提供于下表3中：
Figure BDA0001872955760000121
图12A图解说明B-Zn系列组合物在850℃下的D.C.导电率对ZnO含量(测量为锌的原子百分比)，其重叠到B1.5及B3在850℃下的D.C.导电率对镁含量的曲线图上。
在另一实例性系列组合物中，氧化铟可与氧化钪一起用作共掺杂剂。类似于其中Mg2+为替代Sc3+的共掺杂剂的A-系列组合物，在In2O3共掺杂组合物中，In3+离子可以1:1比率替代Sc3+离子，其中氧含量保持固定。此系列可基于11mol％Sc2O3的母体组合物，且可具有化学式Zr0.802Sc0.198-xInxO1.90，其中0≤x≤0.198，例如0.018≤x≤0.18。
此实施例的试样组合物可具有0到11mol％Sc2O3(例如1mol％到9mol％Sc2O3)及0到11mol％In2O3(例如2mol％到10mol％In2O3)，其中总掺杂范围(即，Sc2O3及In2O3摩尔百分比的和)为11mol％。在一个实例中，所述组合物可具有9mol％Sc2O3及2mol％In2O3，且因此具有化学式Zr0.802Sc0.162In0.036O1.90。
图12B图解说明此系列的XRD图案，其中试样组合物具有从0mol％到11mol％变化的离散整数氧化铟含量及从11mol％到0mol％变化的离散整数氧化钪含量。图12C图解说明这些试样组合物的D.C.导电率随离散整数氧化铟含量(测量为In2O3的摩尔百分比)的变化，其中氧化铟含量从0mol％到11mol％变化。如通过数据曲线图所展示，试样的D.C.导电率可为介于80mS/cm与220mS/cm之间的值。还如通过数据曲线图所展示，至少215mS/cm(例如介于215mS/cm与220mS/cm之间)的峰值D.C.导电率水平可在对应于约Zr0.802Sc0.144In0.054O1.90的试样化学式的大约3mol％In2O3下实现。因此，此系列可描述为具有化学式Zr1-w- yScwInyOd，其中0.018≤w≤0.18，其中0.018≤y≤0.18，且其中1.8≤d≤2。在一实施例中，钪离子浓度(w)可通过由w＝0.198-y表征。在另一实施例中，铟离子浓度(y)可由y＝0.054表征。
在另一实施例中，除了氧化镁外，类似于H-系列组合物的经氧化钪稳定的氧化锆组合物还可利用氧化铟(In2O3)掺杂。在可基于上文所论述的H2试样组合物的实例性系列组合物(“H-In系列”)中，Sc3+离子可由Mg2+离子以1:1比率替代，借此降低组合物的钪及氧含量，同时使氧化锆及铟含量保持恒定。H-In系列可具有化学式Zr0.8Sc0.15-xIn0.05MgxO2-d，其中0≤x≤0.05。H-In系列的化学式还可写成Zr0.8Sc0.15-xIn0.05MgxOd，其中1.8≤d≤2且0≤x≤0.05。在x＝0下，不存在氧化镁且试样组合物具有化学式Zr0.8Sc0.15In0.05O2-d。在x＝0.05下，试样组合物具有化学式Zr0.8Sc0.10In0.05Mg0.05O2-d。
另一组实例涉及上文所论述的E1试样组合物的变化形式。在一个实例性组合物中，氧化锌可替代氧化镁作为掺杂剂，以产生可具有化学式Zr0.815Sc0.153Y0.018Zn0.0135O1.90的组合物“E1-Zn”。在另一实例中，In2O3可用作替代氧化钇的共掺杂剂，以产生可具有化学式Zr0.815Sc0.153In0.018Mg0.0135O1.90的组合物“E1-In”。
图13A图解说明试样组合物E1-In及9Sc2O3-2In2O3的能量分散x射线(EDX)图谱分析。图13B图解说明这些组合物的x射线衍射(XRD)图案，其具有2θ＝80°到88°的角度的展开视图区域。在850℃下，E1-In在850℃下的D.C.导电率可为约195mS/cm，而9Sc2O3-2In2O3的D.C.导电率可为约170mS/cm。因此，这些组合物具有至少170(例如180mS/cm到195mS/cm)的导电率。
图14A展示具有E1变化形式E1-Zn及E1-In的E1试样组合物在400℃下的块体阻抗值。图14B展示E1、E1-Zn及E1-In的块体导电率测量值。图14C展示E1、E1-Zn及E1-In的总导电率测量值，且图14D展示跨越E1、E1-Zn及E1-In的颗粒边界平面的导电率。
在其它实施例中，经氧化钪稳定的氧化锆可与氧化镓及氧化钇共掺杂。不希望受特定理论约束，较小半径Ga3+离子与较大半径Y3+的组合可使晶体结构的扭曲较小。
实例性系列组合物(“I-系列”)可利用化学式Zr0.8018Sc0.1782Y0.02-xGaxO1.90产生。在此系列组合物中，一个Ga3+离子替代一个Y3+离子，同时锆、钪及氧水平保持恒定。可用于形成I-系列组合物的x值为：0、0.005、0.01、0.015及0.02，借此产生以下组合物：
I0：Zr0.802Sc0.178Y0.02O1.90
I1：Zr0.802Sc0.171Y0.015Ga0.005O1.90
I2：Zr0.802Sc0.171Y0.01Ga0.01O1.90
I3：Zr0.802Sc0.171Y0.005Ga0.015O1.90
I4：Zr0.802Sc0.171Ga0.02O1.90
在x＝0下，钇离子未被替代，且不存在镓离子。在最高x值(x＝0.02)下，所有钇离子均被镓离子替代。
另一实例性系列组合物(“J-系列”)可利用化学式Zr0.802Sc0.188Y0.01-xGaxO1.90制备。在J-系列中，一个Ga3+离子替代一个Y3+离子，同时锆、钪及氧水平保持恒定。可用于形成J-系列组合物的x值为：0、0.0025、0.005、0.0075，借此产生以下组合物：
J0：Zr0.802Sc0.188Y0.01O1.90
J1：Zr0.802Sc0.188Y0.0075Ga0.0025O1.90
J2：Zr0.802Sc0.188Y0.005Ga0.005O1.90
J3：Zr0.802Sc0.188Y0.0025Ga0.0075O1.90
在x＝0下，钇离子未被替代，且不存在镓离子。在最高x值(x＝0.0075)下，组合物含有2.5原子％Y3+及7.5原子％Ga3+离子。
另一实例性系列组合物(“K-系列”)可利用化学式Zr0.8018Sc0.1682Y0.03-xGaxO1.90制备。在此系列组合物中，一个Ga3+离子替代一个Y3+离子，同时锆、钪及氧水平保持恒定。可用于形成实例性K-系列组合物的x值为0.015，其可产生具有化学式Zr0.8018Sc0.1682Y0.015Ga0.01 5O1.90的K2试样组合物。在此x值下，Y3+离子及Ga3+离子的原子百分比为相等的。
另一实例性系列组合物(“L-系列”)可利用化学式Zr0.8018Sc0.1582Y0.04-xGaxO1.90制备。在此系列组合物中，一个Ga3+离子替代一个Y3+离子，同时锆、钪及氧水平保持恒定。可用于形成实例性L-系列组合物的x值为0.02，其可产生具有化学式Zr0.8018Sc0.1582Y0.02Ga0.0 2O1.90的L2试样组合物。在此x值下，Y3+离子及Ga3+离子的原子百分比为相等的。
图15是展示实例性I-系列、J-系列、K-系列及L-系列组合物的三元相图。图16A图解说明这些系列I2、J2、K2及L2中的试样组合物的XRD图案。图16B是2θ＝82°到85°范围内的XRD图案的放大图。图17A图解说明I系列、J系列、K系列及L系列组合物在850℃下的D.C导电率随总氧化镓及氧化钇含量(测量为镓或钇的原子百分比)的变化。图17B图解说明D.C.导电率随钪含量(测量为钪的原子百分比)的变化。如数据所展示，具有0.015原子％Y3+离子及0.015原子％Ga3+离子的K-系列组合物具有最高导电率，例如高于200mS/cm，举例来说221mS/cm。
试样组合物I2、I3、J2、J3、K2及L2在850℃下的D.C.导电率提供于下表4中：
组合物 σ<sub>850℃</sub>
I2 132
I3 126
J2 118
J3 129
K2 221
L3 106
另一实例性系列组合物(“M-系列”)可利用化学式Zr0.815Sc0.15Y0.02-xGaxMg0.015O1.9制备。在此系列组合物中，一个Ga3+离子替代一个Y3+离子，同时锆、钪、镁及氧水平保持恒定。可用于制备M-系列的x值为0、0.01及0.02，借此产生以下组合物：
M0：Zr0.815Sc0.15Y0.02Mg0.015O1.9
M1：Zr0.815Sc0.15Y0.01Ga0.01Mg0.015O1.9
M2：Zr0.815Sc0.15Ga0.02Mg0.015O1.9
在X＝0下，钇离子未被替代，且不存在镓，且在X＝0.02下，所有钇离子均以镓离子替代。
M-系列组合物在850℃下的D.C.导电率结果提供于下表5中：
组合物 σ<sub>850℃</sub>
M0 179
M1 154
M2 162
图18是图解说明具有不同氧化镓含量(测量为镓的原子百分比)的M-系列组合物的D.C.导电率的图形。
另一实例性系列组合物(“N-系列”)可利用化学式Zr0.815Sc0.13Y0.04-xGaxMg0.015O1.90产生。在此系列组合物中，一个Ga3+离子替代一个Y3+离子，同时锆、钪、镁及氧水平保持恒定。可用于制备N-系列的x值为0、0.01、0.02、0.03及0.04，借此产生以下组合物：
N0：Zr0.815Sc0.13Y0.04Mg0.015O1.90
N1：Zr0.815Sc0.13Y0.03Ga0.01Mg0.015O1.90
N2：Zr0.815Sc0.13Y0.02Ga0.02Mg0.015O1.90
N3：Zr0.815Sc0.13Y0.01Ga0.03Mg0.015O1.90
N4：Zr0.815Sc0.13Ga0.04Mg0.015O1.90
在x＝0下，钇离子未被替代，且不存在镓，且在x＝0.04下，所有钇离子均以镓离子替代。
在其它实施例中，经氧化钪稳定的氧化锆可与氧化铟及氧化铈共掺杂。实例性系列组合物(“O-系列”)可利用化学式Zr0.809Sc0.182-xCe0.009InxO2-d产生，其中0≤x≤0.164。此系列还可写成Zr0.809Sc0.182-xCe0.009InxOd，其中1.8≤d≤2且0≤x≤0.164。在此系列组合物中，In3+离子以1:1比率替代Sc3+离子，同时锆、铈及氧水平保持恒定。用于O-系列组合物的母体掺杂剂材料可为10Sc2O3-1CeO2。试样组合物可通过用至多9mol％In2O3替代Sc2O3产生(例如，9Sc2O3-1In2O3-1CeO2到1Sc2O3-9In2O3-1CeO2)。
其它实例性组合物可利用低于11mol％的总掺杂剂量产生。举例来说，一种系列组合物可利用至少8mol％(例如9mol％)总掺杂剂及化学式Zr0.843Sc0.0926-xCe0.009In0.0556+xO2-d产生，其中0≤x≤0.0741。此系列的化学式还可写成Zr0.843Sc0.0926-xCe0.009In0.0556+xOd，其中1.8≤d≤2且0≤x≤0.0741。在此系列组合物中，In3+离子以1:1比率替代Sc3+离子，同时锆、铈及氧水平保持恒定。母体掺杂剂材料可包括5Sc2O3-3In2O3-1CeO2。试样组合物可通过用至多4mol％In2O3(例如，5Sc2O3-3In2O3-1CeO2到1Sc2O3-7In2O3-1CeO2)替代Sc2O3产生。在另一实例中，一系列组合物(“P-系列”)可利用10mol％总掺杂剂及化学式Zr0.825Sc0.110- xCe0.009In0.055+xO2-d产生，其中0≤x≤0.0917。P-系列的化学式还可写成Zr0.825Sc0.110- xCe0.009In0.055+xOd，其中1.8≤d≤2且0≤x≤0.0917。在此系列组合物中，In3+离子以1:1比率替代Sc3+离子，同时锆、铈及氧水平保持恒定。母体掺杂剂材料可为6Sc2O3-3In2O3-1CeO2。试样组合物可通过用至多5mol％In2O3(例如，6Sc2O3-3In2O3-1CeO2到1Sc2O3-8In2O3-1CeO2)替代Sc2O3产生。可用于制备P-系列的一些x值为0及0.018，借此产生以下组合物：
P0：Zr0.825Sc0.110Ce0.009In0.055O1.92
P1：Zr0.825Sc0.092Ce0.009In0.073O1.92
在x＝0下，无额外钪离子被替代，且所存在铟的量与母体掺杂剂材料中相同。
其它实施例组合物可利用高于11mol％(例如至多14mol％)的总掺杂剂量产生。举例来说，一种系列组合物(“Q-系列”)可利用11.5mol％总掺杂剂及化学式Zr0.801Sc0.10- xCe0.009In0.091+xO2-d产生，其中0≤x≤0.082。Q-系列的化学式还可写成Zr0.801Sc0.10- xCe0.009In0.091+xOd，其中1.8≤d≤2且0≤x≤0.082。在此系列组合物中，In3+离子以1:1比率替代Sc3+离子，同时锆、铈及氧水平保持恒定。母体掺杂剂材料可为5.5Sc2O3-5In2O3-1CeO2。试样组合物可通过用至多4.5mol％In2O3(例如，5.5Sc2O3-5In2O3-1CeO2到1Sc2O3-9.5In2O3-1CeO2)替代Sc2O3产生。可用于制备Q-系列的一些x值为0及0.010，借此产生以下组合物：
Q0：Zr0.801Sc0.10Ce0.009In0.091O1.91
Q1：Zr0.825Sc0.091Ce0.09In0.10O1.91
在x＝0下，无额外钪离子被替代，且所存在铟的量与母体掺杂剂材料中相同。
在另一实例中，系列组合物(“R-系列”)可利用12mol％总掺杂剂及化学式Zr0.793Sc0.110-xCe0.009In0.090+xO2-d产生，其中0≤x≤0.09。R-系列的化学式还可写成Zr0.793Sc0.110-xCe0.009In0.090+xOd，其中1.8≤d≤2且0≤x≤0.09。在此系列组合物中，In3+离子以1:1比率替代Sc3+离子，同时锆、铈及氧水平保持恒定。母体掺杂剂材料可为6Sc2O3-5In2O3-1CeO2。试样组合物可通过用至多5mol％In2O3(例如，6Sc2O3-5In2O3-1CeO2到1Sc2O3-10In2O3-1CeO2)替代Sc2O3产生。可用于制备R-系列的一些x值为0、0.009及0.018，借此产生以下组合物：
R0：Zr0.793Sc0.110Ce0.009In0.090O1.90
R1：Zr0.793Sc0.101Ce0.009In0.099O1.90
R2：Zr0.793Sc0.092Ce0.009In0.108O1.90
在x＝0下，无额外钪离子被替代，且所存在铟的量与母体掺杂剂材料中相同。
在另一实施例中，还具有总共12mol％掺杂剂的相关系列组合物(R’-系列)可利用经氧化钪稳定的氧化锆产生，所述氧化锆仅与铟共掺杂，且不含铈或氧化铈。R’-系列可具有化学式Zr0.786Sc0.143-xIn0.071+xO2-d，其中0≤x≤0.125。R’-系列的化学式还可写成Zr0.786Sc0.143-xIn0.071+xOd，其中1.8≤d≤2且0≤x≤0.125。在此系列组合物中，In3+离子以1:1比率替代Sc3+离子，同时锆及氧水平保持恒定。母体掺杂剂材料可为8Sc2O3-4In2O3。试样组合物可通过用至多7mol％In2O3(例如，8Sc2O3-4In2O3到1Sc2O3-11In2O3)替代Sc2O3产生。可用于制备R-系列的一些x值为0及0.036，借此产生以下组合物：
R’0：Zr0.786Sc0.143In0.071O1.89
R’1：Zr0.786Sc0.107In0.107O1.89
在x＝0下，无额外钪离子被替代，且所存在铟的量与母体掺杂剂材料中相同。在x＝0.036下，在掺杂剂材料中，铟与钪的量是相等的。
在另一实例中，具有13mol％总掺杂剂的系列组合物(“S-系列”)可使用与氧化铟及氧化铈共掺杂的经氧化钪稳定的氧化锆产生。S-系列可具有化学式Zr0.777Sc0.107- xCe0.009In0.107+xO2-d，其中0≤x≤0.089。S-系列的化学式还可写成Zr0.777Sc0.107- xCe0.009In0.107+xOd，其中1.8≤d≤2且0≤x≤0.089。在此系列组合物中，In3+离子以1:1比率替代Sc3+离子，同时锆、铈及氧水平保持恒定。母体掺杂剂材料可为6Sc2O3-6In2O3-1CeO2。试样组合物可通过用至多5mol％In2O3(例如，6Sc2O3-6In2O3-1CeO2到1Sc2O3-11In2O3-1CeO2)替代Sc2O3产生。可用于制备S-系列的一些x值为0及0.018，借此产生以下组合物：
S0：Zr0.777Sc0.107Ce0.009In0.090O1.87
S1：Zr0.793Sc0.101Ce0.009In0.099O1.87
在另一实施例中，还具有总共13mol％掺杂剂的相关系列组合物(S’-系列)可利用仅与铟共掺杂的经氧化钪稳定的氧化锆产生。S’-系列可具有化学式Zr0.770Sc0.142-xIn0.088+ xO2-d，其中0≤x≤0.125。S’-系列的化学式还可写成Zr0.770Sc0.142-xIn0.088+xOd，其中1.8≤d≤2且0≤x≤0.125。在此系列组合物中，In3+离子以1:1比率替代Sc3+离子，同时锆及氧水平保持恒定。母体掺杂剂材料可为8Sc2O3-5In2O3。试样组合物可通过用至多7mol％In2O3(例如，8Sc2O3-5In2O3到1Sc2O3-12In2O3)替代Sc2O3产生。
图19A到19C是图解说明O-系列、P-系列、Q-系列、R-系列及S-系列的试样组合物的D.C.导电率的变化的图形。图19A展示这些系列中试样组合物的D.C.导电率随离散整数钪含量(测量为原子％Sc3+)的变化，其中钪含量从7.2原子％到18.2原子％变化。图19B展示试样组合物的D.C.导电率随铟含量(测量为原子％In3+)的变化，其中铟含量从0原子％到10.9原子％变化。图19C展示试样组合物的D.C.导电率随钪含量对铟含量的比率的变化(不包含其中掺杂剂组合物具有0％氧化铟的O-系列试样)。
如通过数据曲线图所展示，试样的D.C.导电率可为介于80mS/cm与220mS/cm之间的值。还如通过数据曲线图所展示，至少215mS/cm(例如介于215mS/cm与220mS/cm之间)的峰值D.C.导电率水平可在O-系列中在具有约16.3原子％钪及约1.8原子％铟的试样中实现，所述试样具有约Zr0.809Sc0.163Ce0.009In0.018O1.9的试样化学式。峰值D.C.导电率水平下的钪及铟的量对应于9mol％Sc2O3、1mol％In2O3及1mol％CeO2的掺杂剂材料。因此，O-系列此系列可描述为具有化学式Zr1-w-y-zScwCezInyOd，其中0.072≤w≤0.182，其中0≤y≤0.1098，其中0.008≤z≤0.1，且其中1.8≤d≤2。在一实施例中，钪离子浓度(w)可由w＝0.182-y表征，且铈离子浓度(z)可由z＝0.009表征。在另一实施例中，铟离子浓度(y)可由y＝0.018表征。
图20A及20B是图解说明可具有上文所论述性质的各种实例性系列的经氧化钪稳定氧化锆组合物的D.C.导电率结果汇总的图形。图20A展示这些系列中的试样组合物的D.C.导电率随离散整数钪含量(测量为原子％Sc3+)的变化。图20B展示这些系列中的试样组合物的D.C.导电率随氧化学计量的变化。
图21是展示利用氧化镁掺杂的实施例B-系列及H-系列氧化钪稳定的氧化锆的试样高导电率组合物的三元相图。
如各种实例性系列的经氧化钪稳定的氧化锆组合物中所展示，B-系列及H-系列组合物可具有高相对导电率。举例来说，试样B1.5组合物可具有232mS/cm的D.C.导电率。在另一实例中，试样H2及H1组合物可分别具有199mS/cm及171mS/cm的D.C.导电率。
在另一实例中，试样K2组合物可具有145mS/cm的相对高导电率。在另一实例中，试样L2组合物还可具有145mS/cm的相对高导电率。在另一实例中，经In2O3掺杂组合物可具有约195mS/cm的相对高导电率。
上述组合物可用于固体氧化物燃料电池电解质。电解质可为板状，其在一侧上具有阳极电极(例如，镍及经稳定氧化锆及/或经掺杂氧化铈金属陶瓷)且在相对侧上具有阴极电极(例如，锰酸镧锶)。包括电解质、阳极及阴极电极的燃料电池可位于燃料电池堆叠中。如本文中所使用的术语“燃料电池堆叠”意指可共享共用空气及燃料入口以及排放通路、歧管或上升管的由互连件隔开的多个堆叠式燃料电池。本文中所使用的“燃料电池堆叠”包含含有两个端板的不同电实体，所述两个端板连接到所述堆叠的功率调节设备及功率(即，电力)输出。因此，在一些配置中，从此不同电实体输出的电功率可与其它堆叠分开进行控制。如本文中所使用的术语“燃料电池堆叠”还包含所述不同电实体的一部分。举例来说，所述堆叠可共享相同端板。在此情况下，所述堆叠共同地包括不同电实体，例如柱状物。在此情况下，无法分开控制从两个堆叠输出的电功率。
表示上述组合物的化学式并不打算将本发明的范围限制于特定原子或摩尔百分比，而是经提供以有助于揭示各系列相关组合物。举例来说，将氧表示为“O2-d”或“Od”提供可变量的氧，此可取决于(举例来说)总掺杂量、组合物中阳离子的化合价等。可存在于上文所论述系列组合物中的实例性氧量包含但不限于：P-系列中的1.92原子％氧、Q-系列中的1.91原子％氧、R-系列中的1.90原子％氧、R’系列中的1.89原子％氧及S-系列中的1.87原子％氧。
已出于说明及描述目的呈现对本发明的前述描述。其并非打算为穷尽性的或将本发明限制于所揭示的精确形式，且依照上述教示内容可能存在修改及变化或可从本发明的实践获得所述修改及变化。选择所述描述以便解释本发明的原理及其实际应用。本发明的范围打算由所附权利要求书及其等效形式来界定。

Claims (11)

1.一种用于固体氧化物燃料电池的电解质组合物，其中所述电解质组合物包括化学式Zr1-w-x-zScwMgxYzOd，其中0.1≤w≤0.18，其中0<x≤0.03，其中0≤z≤0.08，且其中1.8≤d≤2。
2.根据权利要求1所述的电解质组合物，其中w＝0.171-z，其中0.013≤x≤0.014。
3.根据权利要求2所述的电解质组合物，其中z＝0.018。
4.根据权利要求1所述的电解质组合物，其中w＝0.144-z，且其中0.02≤x≤0.03。
5.根据权利要求4所述的电解质组合物，其中z＝0。
6.一种用于固体氧化物燃料电池的电解质组合物，其中所述电解质组合物包括化学式Zr1-w-x-zScwMgxInzOd，其中0.1≤w≤0.18，其中0≤x≤0.03，其中0.01≤z≤0.12，且其中1.8≤d≤2。
7.根据权利要求6所述的电解质组合物，其中w＝0.171-z，其中0.013≤x≤0.014，且其中0.018≤z≤0.06。
8.根据权利要求6所述的电解质组合物，其中z＝0.018或z＝0.036。
9.一种用于固体氧化物燃料电池的电解质组合物，其中所述电解质组合物包括化学式Zr1-w-x-zScwGaxYzOd，其中0.1≤w≤0.188，其中0<x+z≤0.04，且其中1.8≤d≤2。
10.根据权利要求9所述的电解质组合物，其中z＝0.03-x，且其中0.01≤x≤0.02。
11.根据权利要求9所述的电解质组合物，其中z＝0.02-x，且其中0.005≤x≤0.02。
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