DE102008054617A1 - Structured electrode for ceramic sensor elements - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Sensorelement (110), insbesondere zur Erfassung einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum. Das Sensorelement (110) umfasst mindestens eine Festelektrolytschicht (116) mit mindestens einem keramischen Festelektrolytmaterial (118) und mindestens eine die Festelektrolytschicht (116) direkt oder indirekt kontaktierende Elektrode (112). Die Elektrode (112) umfasst mindestens ein keramisches Material (122) und mindestens ein metallisches Material (120). Die Elektrode (112) weist eine laterale Ausdehnung auf und weist innerhalb der lateralen Ausdehnung eine sich parallel und/oder senkrecht zu der lateralen Ausdehnung erstreckende Strukturierung (126, 140) auf. Die Strukturierung (126, 140) ist eingerichtet, um eine Elektrodenfläche der Elektrode (112) zu vergrößern.The invention relates to a sensor element (110), in particular for detecting a property of a gas in a measuring gas space. The sensor element (110) comprises at least one solid electrolyte layer (116) with at least one ceramic solid electrolyte material (118) and at least one electrode (112) which directly or indirectly contacts the solid electrolyte layer (116). The electrode (112) comprises at least one ceramic material (122) and at least one metallic material (120). The electrode (112) has a lateral extent and, within the lateral extent, has a structuring (126, 140) extending parallel and / or perpendicular to the lateral extent. The patterning (126, 140) is arranged to increase an electrode area of the electrode (112).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die
Erfindung geht aus von bekannten Sensorelementen, welche auf elektrolytischen
Eigenschaften bestimmter Festkörper beruhen, also der Fähigkeit
dieser Festkörper, bestimmte Ionen zu leiten. Derartige
Sensorelemente werden in verschiedenen Bereichen der Naturwissenschaften
und Technik eingesetzt, wobei die im Folgenden beschriebene Erfindung
nicht auf ein bestimmtes Einsatzgebiet beschränkt ist.
Insbesondere können derartige Sensorelemente jedoch im
Bereich der Abgasanalytik eingesetzt werden, beispielsweise in Kraftfahrzeugen,
stationären Motoren oder Verbrennungsanlagen. Beispielsweise
können derartige Sensorelemente in Kraftfahrzeugen eingesetzt
werden, um Luft-Kraftstoff-Gasgemischzusammensetzungen zu messen. Insbesondere
werden Sensorelemente dieser Art in so genannten Lambdasonden eingesetzt
und spielen eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung von Schadstoffen
in Abgasen, sowohl in Otto-Motoren als auch in der Dieseltechnologie.
Als Beispiel für mögliche Aufbauten derartiger
Sensorelemente kann auf
Keramische Sensorelemente, die auf der Verwendung von Festelektrolytmaterialien basieren, weisen in der Regel mindestens eine Elektrode auf, mittels derer die mindestens eine Festelektrolytschicht direkt oder indirekt, d. h. durch unmittelbaren Kontakt oder durch Zwischenschaltung einer oder mehrerer Zwischenschichten, kontaktiert wird. So werden beispielsweise bei Lambdasonden, die als so genannte „Fingersonden” eingesetzt werden, in der Regel einschichtige, unstrukturierte Außenelektroden (OE) und Innenelektroden (IE) in Dünnschichttechnologie, beispielsweise durch Aufdampfen oder Aufsputtern, von Platin erzeugt. Auch gedruckte Elektroden, wie beispielsweise durch Tampondruck hergestellte Gitterelektroden in Dünnschichttechnologie, sind bekannt. Beispielsweise werden als Elektrodenmaterialien Metall-Keramik-Elektrodenmaterialien (Cermet) verwendet. Beispielsweise lassen sich Edelmetall-Cermets einsetzen, wie beispielsweise Platin-Cermets. Ein Beispiel für die keramische Komponente derartiger Cermets ist Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid (YSZ).ceramic Sensor elements based on the use of solid electrolyte materials are based, usually have at least one electrode, by means of derer the at least one solid electrolyte layer directly or indirectly, d. H. by direct contact or by interposition of a or more intermediate layers, is contacted. For example in lambda sensors, which are used as so-called "finger probes" usually single-layer, unstructured outer electrodes (OE) and internal electrodes (IE) in thin-film technology, for example, by vapor deposition or sputtering, produced by platinum. Also printed electrodes, such as produced by pad printing Grid electrodes in thin-film technology are known. For example, as electrode materials, metal-ceramic electrode materials (Cermet) used. For example, noble metal cermets can be used such as platinum cermets. An example for the ceramic component of such cermets is yttria-stabilized zirconia (YSZ).
Neben Lambdasonden vom Typ der Fingersonden sind auch andere Arten von Lambdasonden bekannt, beispielsweise Planarsonden, welche in Keramikfolientechnologie aufgebaut sind. Hierbei werden in der Regel unstrukturiert flächig siebgedruckte innere Elektroden und äußere Elektroden mit Platin-YSZ-Cermet in Dickschichttechnik aufgebracht.Next Lambda probes of the type of finger probes are also other types of Lambda probes known, for example planar probes, which in ceramic film technology are constructed. This usually flat unstructured Screen printed inner electrodes and outer electrodes applied with platinum YSZ cermet in thick film technology.
Weiterhin können die oben beschriebenen Sensorelektroden durch eine Auswahl der Sinterparameter, Schutzschichteigenschaften oder durch zusätzliche Prozesse wie eine Imprägnierung oder eine elektrische Aktivierung in ihren Eigenschaften beeinflusst beziehungsweise eingestellt werden.Farther For example, the sensor electrodes described above may be replaced by a Selection of sintering parameters, protective layer properties or by additional processes such as impregnation or affects an electrical activation in their properties or be adjusted.
Die Elektrodenstrukturen in bekannten Sensorelementen, wie beispielsweise Sensorelementen der oben beschriebenen Art, stellen jedoch in Ihrer Herstellung technisch eine Herausforderung dar. So ist es, insbesondere vor dem Hintergrund von stark angestiegenen Edelmetallpreisen, insbesondere für Edelmetalle wie Platin erforderlich, leistungsfähige Elektroden mit möglichst geringen eingesetzten Mengen an Edelmetall zu erzeugen. Dabei definiert sich die Leistungsfähigkeit in der Regel durch die Elektrodenaktivität, d. h. die katalytische Aktivität, und den maximal möglichen Stoffumsatz pro Flächeneinheit einer Elektrode, beispielsweise einer Außenelektrode.The Electrode structures in known sensor elements, such as Sensor elements of the type described above, however, make in their manufacture technically a challenge. That's the way it is, especially in front of you the background of sharply increased precious metal prices, in particular required for precious metals like platinum, powerful electrodes with the lowest possible amounts of precious metal used to create. This defines the performance usually by the electrode activity, d. H. the catalytic Activity, and the maximum possible metabolic rate per unit area of an electrode, for example one Outer electrode.
Voraussetzung für einen großen Stoffumsatz an den Elektroden ist jedoch eine möglichst große Anzahl von katalytisch aktiven Zentren innerhalb einer Flächen-Volumeneinheit der Elektrode sowie eine gute Elektronen- und/oder Ionenleitfähigkeit des gesamten Elektrodensystems, beispielsweise in einer Nernst-Zelle.requirement for a large substance turnover at the electrodes However, the largest possible number of catalytic active centers within a unit volume unit the electrode and a good electron and / or ion conductivity of the entire electrode system, for example in a Nernst cell.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es werden daher, ausgehend von der oben beschriebenen Problematik, ein Sensorelement sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements vorgeschlagen, welche leistungsfähige Elektroden bei dennoch geringem Bedarf an Edelmetallen bereitstellen.It Therefore, starting from the problem described above, a sensor element and a method for producing a sensor element proposed which powerful electrodes at yet provide low demand for precious metals.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht in der Erkenntnis, dass eine direkte Korrelation der Leistungsfähigkeit bzw. Effizienz der Elektroden mit der zur Verfügung stehenden Dreiphasengrenze zwischen Eletronen-leitfähigem Elektrodenmaterial, Ionen-leitfähigem Festelektrolytmaterial und dem umgebenden Gasmedium besteht. Weiterhin besteht ein Zusammenhang zwischen der Effizienz der Elektrode und der Anzahl der für den Gaszutritt überwiegend verantwortlichen Poren, dem für die Ionenleitung verantwortlichen Festelektrolytmaterial (beispielsweise YSZ) und dem Edelmetall der Elektrode, insbesondere Platin, welches für die Zersetzungs- und Oxidationskatalyse verantwortlich ist. Poren, Festelektrolytmaterial und Elektrodenmetall bilden Tripelpunkte als aktive Zentren der Elektrode bzw. eines Katalysators. Die Maximierung einer Elektrodeneffizienz und Elektrodenaktivität bei Sensorelementen, bei gleichzeitig reduzierten Edelmetallmengen, wird durch die Vergrößerung dieser Dreiphasengrenzen und durch eine Vermehrung der aktiven Zentren durch große Oberflächen mit fein verteilter Porosität, fein verteiltem Edelmetall und Festelektrolytmaterial bei gutem Gaszutritt erreicht.A basic idea of the present invention is the recognition that there is a direct correlation of the efficiency of the electrodes with the available three-phase boundary between electron-conductive electrode material, ion-conductive solid electrolyte material and the surrounding gas medium. Furthermore, there is a correlation between the efficiency of the electrode and the number of times for the Gas inlet mainly responsible pores, responsible for ionic conduction solid electrolyte material (for example, YSZ) and the precious metal of the electrode, in particular platinum, which is responsible for the decomposition and oxidation catalysis. Pores, solid electrolyte material and electrode metal form triple points as active centers of the electrode or of a catalyst. The maximization of electrode efficiency and electrode activity in sensor elements, with simultaneously reduced amounts of noble metals, is achieved by enlarging these three-phase boundaries and by increasing the active centers through large surfaces with finely divided porosity, finely divided precious metal and solid electrolyte material with good gas access.
Weiterhin sollte das Elektrodensystem durch die Zelle bzw. Zellen des Sensorelements hindurch, beispielsweise einer Nernst-Zelle des Sensorelements, gut leitend sein und daher einen niedrigen Innenwiderstand aufweisen. Wenn ein niedriger Innenwiderstand beispielsweise schon bei niedrigen Temperaturen, insbesondere Temperaturen von weniger als 350°C, erreicht wird, kann der Einsatz des Elektrodensystems auch in einer nicht aktiv beheizten Sensorkeramik in Betracht gezogen werden, beispielsweise bei kostengünstigen Zweirad-Sensorapplikationen.Farther should the electrode system through the cell or cells of the sensor element through, for example, a Nernst cell of the sensor element, be well conductive and therefore have a low internal resistance. If a low internal resistance, for example, even at low Temperatures, in particular temperatures of less than 350 ° C, can be achieved, the use of the electrode system in one not actively heated sensor ceramics are considered, for example, in cost-effective two-wheel sensor applications.
Dementsprechend wird ein Konzept zur Herstellung eines Sensorelements vorgeschlagen, bei welchem, beispielsweise durch Verwendung von Druckverfahren, mittels einer minimierten Menge an Elektrodenmaterial mittels einer horizontalen und/oder vertikalen Strukturierung, eine erhöhte Leistungsfähigkeit erzielt wird. Die Erfindung wird dabei im Folgenden im Wesentlichen unter Bezugnahme auf Platin-YSZ-Cermet- Elektroden beschrieben. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich, beispielsweise Ausgestaltungen mit anderen Edelmetallen als metallischer Komponente und/oder anderen Arten von Keramiken als keramischer Komponente. Beispielsweise lassen sich Elektrodensysteme aus Edelmetallen wie Palladium (Pd) und/oder Ruthenium (Ru) und/oder Iridium (Ir) und/oder Rhodium (Rh) herstellen sowie aus Metallmischungen oder Metalllegierungen, z. B. Pt/Pd-Legierungen und/oder Pt/Au-Legierungen. Die Übertragung der Ausgestaltungen auf derartige Elektrodensysteme ist problemlos umsetzbar.Accordingly a concept for the production of a sensor element is proposed, in which, for example by using printing methods, by means of a minimized amount of electrode material by means of a horizontal and / or vertical structuring, increased efficiency is achieved. The invention is in the following essentially with reference to platinum YSZ cermet electrodes. Also However, other embodiments are possible in principle For example, embodiments with precious metals other than metallic Component and / or other types of ceramics than ceramic Component. For example, electrode systems can be made of precious metals such as palladium (Pd) and / or ruthenium (Ru) and / or iridium (Ir) and / or Rhodium (Rh) and from metal mixtures or metal alloys, z. As Pt / Pd alloys and / or Pt / Au alloys. The transfer The embodiments of such electrode systems is easy implemented.
Es wird dementsprechend erfindungsgemäß ein Sensorelement vorgeschlagen, welches insbesondere zur Erfassung einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum einsetzbar ist. Für die möglichen Ausgestaltungen und Verwendungszwecke des Sensorelements kann insbesondere auf die obige Beschreibung verwiesen werden. So kann das Sensorelement beispielsweise als Lambdasonde, beispielsweise als einzellige und/oder mehrzellige Lambdasonde, ausgestaltet sein, um eine Konzentration und/oder einen Partialdruck an Sauerstoff in einem Messgasraum zu bestimmen, beispielsweise in einem Abgas einer Brennkraftmaschine. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich, beispielsweise Ausgestaltungen zur Messung einer Konzentration und/oder eines Partialdrucks einer oder mehrerer anderer Arten von Gaskomponente in dem Gas und/oder zur Erfassung anderer Parameter des Gases, beispielsweise zur Erfassung von Partikelkontaminationen oder ähnlichem.It Accordingly, according to the invention is a sensor element proposed, which in particular for detecting a property a gas can be used in a measuring gas space. For the possible Embodiments and uses of the sensor element may in particular to the above description. So can the sensor element For example, as a lambda probe, for example as unicellular and / or multicellular lambda probe, designed to be a concentration and / or a partial pressure of oxygen in a sample gas space determine, for example, in an exhaust gas of an internal combustion engine. However, other embodiments are also possible in principle For example, embodiments for measuring a concentration and / or a partial pressure of one or more other types of gas component in the gas and / or for detecting other parameters of the gas, for example for detecting particle contamination or the like.
Das Sensorelement umfasst mindestens eine Festelektrolytschicht mit mindestens einem keramischen Festelektrolytmaterial. Dabei lassen sich grundsätzlich beliebige Festelektrolytmaterialien und/oder beliebige Geometrien der Festelektrolytschicht einsetzen. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Sauerstoffionen-leitfähigen Festelektrolytmaterialien, insbesondere von Yttrium-stabilisiertem Zirkondioxid (YSZ). Grundsätzlich sind jedoch auch andere keramische Festelektrolytmaterialien einsetzbar.The Sensor element comprises at least one solid electrolyte layer at least one ceramic solid electrolyte material. Let it go basically any solid electrolyte materials and / or use any geometry of the solid electrolyte layer. Especially preferred is the use of oxygen ion-conductive Solid electrolyte materials, in particular of yttrium-stabilized Zirconium dioxide (YSZ). Basically, however, are others ceramic solid electrolyte materials used.
Das Sensorelement umfasst weiterhin mindestens eine die Festelektrolytschicht direkt oder indirekt kontaktierende Elektrode. Unter einer Elektrode ist dabei grundsätzlich ein Element zu verstehen, an welchem ein Einbau bzw. ein Ausbau von Ionen in die bzw. aus der Festelektrolytschicht erfolgen kann und welches eine entsprechende elektrisch leitfähige Kontaktierung bereitstellt. Unter einer direkten bzw. indirekten Kontaktierung ist dabei eine Ausgestaltung zu verstehen, bei welcher die Elektrode direkt bzw. unter Zwischenschaltung mindestens einer Zwischenschicht mit der Festelektrolytschicht in Kontakt ist.The Sensor element further comprises at least one of the solid electrolyte layer directly or indirectly contacting electrode. Under an electrode is basically an element to understand on which an installation or an expansion of ions into or out of the solid electrolyte layer can be done and which a corresponding electrically conductive contact provides. Under a direct or indirect contact is an embodiment to understand in which the electrode directly or with the interposition of at least one intermediate layer is in contact with the solid electrolyte layer.
Die Elektrode umfasst mindestens ein keramisches Material und mindestens ein metallisches Material. Insofern kann die Elektrode insbesondere als Cermet-Elektrode ausgestaltet sein. Auch hierbei kann für das keramische Material grundsätzlich ein Festelektrolytmaterial eingesetzt werden, vorzugsweise ein Festelektrolytmaterial mit einer Leitfähigkeit für dieselbe Ionensorte, wie das Festelektrolytmaterial der Festelektrolytschicht. Beispielsweise kann für das keramische Material der Elektrode wiederum Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid eingesetzt werden. Als phasenstabilisierende Zusätze zum Zirkondioxid können jedoch, alternativ oder zusätzlich, auch andere Materialien eingesetzt werden, beispielsweise andere Oxide, insbesondere Metalloxide, beispielsweise Ce2O3, MgO, Sc2O3, CaO oder Mischungen der genannten und/oder anderer Oxide.The electrode comprises at least one ceramic material and at least one metallic material. In this respect, the electrode can be designed in particular as a cermet electrode. In this case as well, a solid electrolyte material can basically be used for the ceramic material, preferably a solid electrolyte material with a conductivity for the same type of ion as the solid electrolyte material of the solid electrolyte layer. For example, again yttrium-stabilized zirconia can be used for the ceramic material of the electrode. However, other materials can be used as phase-stabilizing additives to zirconia, alternatively or additionally, be used, such as other oxides, in particular metal oxides, for example, Ce 2 O 3, MgO, Sc 2 O 3, CaO or mixtures of the above and / or other oxides.
Für das metallische Material lassen sich grundsätzlich beliebige Arten von Metallen, Metallmischungen oder Metalllegierungen einsetzen. Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines oder mehrerer der folgenden Materialien: Platin, Palladium, Rhodium, Gold. Auch Mischungen der genannten und/oder anderer Metalle sind denkbar sowie Legierungen der genannten und/oder anderer Metalle beispielsweise Platin-Palladium-Legierungen und/oder Platin-Gold-Legierungen. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.In principle, any types of metals, metal mixtures or metal alloys can be used for the metallic material. Particularly preferred is the use of one or more of the following materials: platinum, palladium, rhodium, gold. Also, mixtures of said and / or other metals are conceivable and alloys of said and / or other metals such as platinum-palladium alloys and / or platinum-gold alloys. However, other embodiments are possible in principle.
Das Sensorelement kann dabei eine oder mehrere der genannten Festelektrolytschichten umfassen sowie eine oder mehrere der genannten Elektroden. Auch unterschiedliche Ausgestaltungen von Elektroden innerhalb eines Sensorelements sind denkbar, beispielsweise mindestens eine erfindungsgemäße Ausgestaltung der Elektrode, kombiniert mit mindestens einer dem Stand der Technik entsprechenden Ausgestaltung einer anderen Elektrode. Grundsätzlich sind beispielsweise Sensorelemente vom Typ der Planarsonden herstellbar, beispielsweise einfache Sprungsonden, Breitbandsonden oder ähnlich Arten von Planarsonden. Auch aus dem Stand der Technik bekannte Aufbauten für Fingersonden sind grundsätzlich erfindungsgemäß herstellbar und einsetzbar.The Sensor element can one or more of said solid electrolyte layers and one or more of said electrodes. Also different embodiments of electrodes within a Sensor element are conceivable, for example, at least one inventive Configuration of the electrode, combined with at least one State of the art corresponding embodiment of another electrode. in principle For example, sensor elements of the planar probe type can be produced, For example, simple jump probes, broadband probes or the like Types of Planar Probes. Also known from the prior art Abutments for finger probes are basically can be produced and used according to the invention.
Die mindestens eine Elektrode weist eine laterale Ausdehnung auf. Unter einer lateralen Ausdehnung ist dabei eine Ausdehnung zu verstehen, welche sich im Wesentlichen parallel zur Ausdehnung der Festelektrolytschicht erstreckt. Beispielsweise kann diese laterale Ausdehnung begrenzt sein, beispielsweise in Form von getrennten Elektroden-Geometrien, beispielsweise rechteckigen, runden, ovalen oder polygonalen Elektroden-Geometrien. Derartige Elektroden-Geometrien können beispielsweise durch strukturierte Auftragsverfahren, beispielsweise Druckverfahren, erzeugt werden.The at least one electrode has a lateral extent. Under a lateral extension is to be understood as an extension which essentially parallel to the expansion of the solid electrolyte layer extends. For example, this lateral extent may be limited for example in the form of separate electrode geometries, for example rectangular, round, oval or polygonal electrode geometries. Such electrode geometries can, for example, by structured order processes, for example printing processes, be generated.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Elektrode innerhalb der lateralen Ausdehnung mit einer sich parallel und/oder senkrecht zu der lateralen Ausdehnung erstreckenden Strukturierung zu versehen. Unter einer Strukturierung ist dabei allgemein eine Ausgestaltung der Elektrode zu verstehen, bei welcher sich mindestens eine physikalische und/oder chemische Eigenschaft der Elektrode in der genannten Richtung, also parallel und/oder senkrecht zu der lateralen Ausdehnung, ändert. Insbesondere kann es sich bei dieser physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft um eine Dickenvariation, eine Leitfähigkeitsvariation, eine Dichtevariation, eine Variation der Porosität, um eine geometrische Variation oder um andere Arten von Variationen der mindestens einen physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft handeln.According to the invention proposed the electrode within the lateral extent with a parallel and / or perpendicular to the lateral extent to provide extending structuring. Under a structuring is to understand a configuration of the electrode in general in which at least one physical and / or chemical Property of the electrode in the mentioned direction, ie parallel and / or perpendicular to the lateral extent. In particular, this physical and / or chemical property may be to a thickness variation, a conductivity variation, a density variation, a variation of porosity a geometric variation or other types of variations which act at least one physical and / or chemical property.
Diese Strukturierung soll dabei eingerichtet sein, um eine Elektrodenfläche der Elektrode zu vergrößern. Unter einer Elektrodenfläche ist dabei allgemein eine Fläche zu verstehen, welche die genannte Dreiphasengrenze bereitstellt, also einen Übergang zwischen dem metallischen Material für die Bereitstellung einer elektrischen Leitfähigkeit, einem keramischen Material für die Bereitstellung einer Ionenleitfähigkeit und einer Oberfläche für den Gaszutritt. In anderen Worten soll durch die vorgeschlagene Strukturierung im Vergleich zu nicht-strukturierten, herkömmlichen Elektroden die Anzahl der Tripelpunkte erhöht werden.These Structuring should be arranged to an electrode surface to increase the size of the electrode. Under an electrode surface is generally an area to understand, which the provides three-phase boundary, ie a transition between the metallic material for providing a electrical conductivity, a ceramic material for providing ionic conductivity and a surface for gas access. In other Words should be compared by the proposed structuring to non-structured, conventional electrodes the number the triple points are increased.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Strukturierung eine laterale Strukturierung aufweist, also eine Strukturierung parallel zu der lateralen Ausdehnung der Elektrode. Die laterale Strukturierung kann insbesondere eine Dickenvariation einer Schichtdicke der Elektrode umfassen, wobei die Dickenvariation mindestens zwei lokale Maxima der Schichtdicke umfasst. Beispielsweise kann es sich um eine Abfolge mehrerer Berge und Täler in der Schichtdicke der Elektrode handeln. Weiterhin kann beispielsweise eine Pyramidenstruktur mit einer Mehrzahl von Pyramiden, eine Wellenstruktur mit einer Mehrzahl von Wellentälern und Wellenbergen, eine Spitzenstruktur mit einer Mehrzahl von Spitzen, d. h. Erhebungen mit spitzem Ende, oder eine Kombination der genannten Strukturen oder anderer Strukturen verwendet werden. Die Mehrzahl der lokalen Erhe bungen kann dabei regelmäßig oder unregelmäßig angeordnet sein. Weiterhin kann, alternativ oder zusätzlich, die Strukturierung auch eine oder mehrere der folgenden Strukturierungen umfassen: eine Aufrauung in der Elektrodenfläche; ein Linienmuster in der Elektrodenfläche, insbesondere ein unregelmäßiges Linienmuster, wobei jedoch auch regelmäßige Linienmuster denkbar sind; ein Raster in der Elektrodenfläche, insbesondere ein Punktmuster, insbesondere ein unregelmäßiges Punktmuster; ein Lochmuster, insbesondere ein unregelmäßiges Lochmuster, wobei jedoch auch regelmäßige Lochmuster möglich sind.Especially it is preferred if the structuring is a lateral structuring So, a structuring parallel to the lateral extent the electrode. The lateral structuring can in particular a Thickness variation of a layer thickness of the electrode include, wherein the thickness variation comprises at least two local maxima of the layer thickness. For example, it may be a succession of mountains and valleys act in the layer thickness of the electrode. Furthermore, for example, a Pyramidal structure with a plurality of pyramids, a wave structure with a plurality of troughs and wave crests, one Tip structure with a plurality of peaks, d. H. surveys with a pointed end, or a combination of said structures or other structures. The majority of local Surveys can be regular or irregular be arranged. Furthermore, alternatively or additionally, structuring also includes one or more of the following structuring comprising: a roughening in the electrode surface; a line pattern in the electrode surface, in particular an irregular one Line pattern, but also regular line pattern conceivable are; a grid in the electrode surface, in particular a dot pattern, especially an irregular one Dot pattern; a hole pattern, in particular an irregular one Lace pattern, but also regular hole pattern possible are.
Die genannten Strukturierungen lassen sich auf verschiedene Weisen erzeugen. So wird beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements, insbesondere eines Sensorelements gemäß einer oder mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen, vorgeschlagen, bei welcher die Strukturierung bereits beim Aufbringen der Elektrode erzeugt wird. So kann beispielsweise eine strukturierte Auftragstechnik einer Elektrodenpaste verwendet werden, mittels derer die Elektrodenpaste strukturiert aufgebracht wird, beispielsweise direkt oder indirekt auf die Festelektrolytschicht. Insbesondere kann es sich dabei um strukturierte Drucktechniken handeln, beispielsweise Drucktechniken, mit welchen eine oder mehrere der oben beschriebenen lateralen Strukturierungen verwirklicht werden. So lassen sich beispielsweise Tampon-Drucktechniken, Sieb-Drucktechniken oder ähnliche Drucktechniken einsetzen. Besonders bevorzugt sind Maskentechniken, bei welcher eine Elektrodenpaste mit einem Muster und/oder Raster strukturiert aufgebracht wird. Alternativ oder zusätzlich kann die laterale Strukturierung jedoch auch in einer nachträglichen Strukturierungstechnik erzeugt werden, bei welcher die Strukturierung nach dem Aufbringen der Elektrodenpaste erzeugt wird. Insbesondere kann diese Strukturierung beispielsweise mittels einer Bürstentechnik und/oder einer Zupftechnik erzeugt werden, mittels derer beispielsweise eine oder mehrere der genannten Strukturierungen erzeugbar sind. Auch andere Arten der Herstellung der genannten Strukturierungen oder Kombinationen von Herstellungsverfahren sind jedoch grundsätzlich denkbar.The structures mentioned can be produced in various ways. Thus, for example, a method for producing a sensor element, in particular a sensor element according to one or more of the described embodiments, is proposed, in which the structuring is already generated during the application of the electrode. Thus, for example, a structured application technique of an electrode paste can be used by means of which the electrode paste is applied in a structured manner, for example directly or indirectly to the solid electrolyte layer. In particular, these can be structured printing techniques, for example printing techniques, with which one or more of the above-described lateral structuring is realized. Thus, for example, tampon printing techniques, screen printing techniques or similar printing techniques can be used. Particularly preferred are mask techniques in which an electrode paste with a pattern and / or grid is applied structured. Alternatively or additionally, however, the lateral structuring can also be produced in a subsequent structuring technique, in which the structuring is produced after application of the electrode paste. In particular, this structuring can be produced, for example, by means of a brush technique and / or a plucking technique, by means of which, for example, one or more of the mentioned structurings can be produced. However, other types of production of the mentioned structures or combinations of production methods are conceivable in principle.
Alternativ oder zusätzlich zu der lateralen Strukturierung, welche sich parallel zu der lateralen Ausdehnung der Elektrode erstreckt, sind auch senkrechte Strukturierungen möglich, also Strukturierungen senkrecht zur lateralen Ausdehnung der Elektrode. So kann die Strukturierung beispielsweise einen Gradienten in mindestens einer physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft der Elektrode senkrecht zu der lateralen Ausdehnung umfassen. Insbesondere kann es sich dabei um einen Porositätsgradienten und/oder einen Materialgradienten und/oder einen Dichtegradienten handeln. Alternativ oder zusätzlich kann die Strukturierung auch einen Gradienten in einer Konzentration des metallischen Materials umfassen, insbesondere eines oder mehrerer der oben genannten metallischen Materialien.alternative or in addition to the lateral structuring, which extending parallel to the lateral extent of the electrode, Vertical structuring is also possible, ie structuring perpendicular to the lateral extent of the electrode. This is how structuring can be done For example, a gradient in at least one physical and / or chemical property of the electrode perpendicular to the lateral Extension include. In particular, it may be a porosity gradient and / or a material gradient and / or a density gradient act. Alternatively or additionally, the structuring can also a gradient in a concentration of the metallic material comprise, in particular one or more of the above-mentioned metallic Materials.
Zur Erzeugung des Gradienten in der Richtung senkrecht zur lateralen Ausdehnung der Elektrode lassen sich grundsätzlich verschiedene Verfahren einsetzen, welche zur Erzeugung eines derartigen Gradienten bzw. Veränderungen geeignet sind. Insbesondere kann als Beispiel eine Elektrodenpaste mit einem Porenbildner verwendet werden. Derartige Porenbildner sind aus dem Stand der Technik bekannt und umfassen beispielsweise Materialien, welche beim Sintern in die Gasphase übergehen und einen Hohlraum zurücklassen. Typische Beispiele für Porenbildner sind: Glaskohle, Flammruß, wachsartige Kohlenwasserstoffverbindungen, Polymerkügelchen oder Kombinationen der genannten und/oder anderer Arten von Porenbildnern.to Generation of the gradient in the direction perpendicular to the lateral Expansion of the electrode can be fundamentally different Use methods which generate such a gradient or changes are suitable. In particular, as For example, an electrode paste with a pore former can be used. Such pore-forming agents are known from the prior art and For example, materials included in sintering in the Go over the gas phase and leave a cavity. Typical examples of pore formers are: glassy carbon, flame black, waxy hydrocarbon compounds, polymer beads or combinations of said and / or other types of pore-forming agents.
So kann die Elektrodenpaste beispielsweise mit einem Porenbildner ausgestattet werden, der eine im Vergleich zu einem umgebenden Material der Elektrodenpaste, beispielsweise einer organischen Komponente der Elektrodenpaste, unterschiedliche Dichte aufweist. Aufgrund der Dichteunterschiede zwischen dem Porenbildner und den übrigen Elementen der Paste wandert der Porenbildner in der aufgetragenen Elektrodenpaste, so dass ein Konzentrationsgradient des Porenbildners innerhalb der noch nicht getrockneten Schicht der Elektrodenpaste entsteht. Beispielsweise kann der Porenbildner mit einer geringeren Dichte als die übrigen Materialien bzw. mindestens einer Materialkomponente der Elektrodenpaste ausgestattet sein, beispielsweise einer Binderkomponente der Elektrodenpaste. Besonders bevorzugt ist es, wenn der Porenbildner derart ausgestaltet ist, dass dieser von der Festelektrolytschicht wegwandert, so dass die Konzentration des Porenbildners in Richtung weg von der Festelektrolytschicht zunimmt. Nach dem Sintern bildet sich dann aufgrund des Konzentrationsgradienten des Porenbildners ein Gradient in einer Porendichte bzw. Porosität in der Elektrode. Auf diese Weise kann beispielsweise an einer von der Festelektrolytschicht wegweisenden Seite der Elektrode eine erhöhte Oberfläche geschaffen werden.So For example, the electrode paste can be equipped with a pore former be compared to a surrounding material of the electrode paste, for example, an organic component of the electrode paste, has different density. Due to the density differences between the pore former and the other elements of the paste migrates the pore builder in the applied electrode paste, leaving a Concentration gradient of the pore-forming agent within the not yet dried layer of the electrode paste is formed. For example may be the pore former with a lower density than the rest Materials or at least one material component of the electrode paste be equipped, for example, a binder component of the electrode paste. It is particularly preferred if the pore-forming agent is designed in this way is that it migrates away from the solid electrolyte layer, so that the concentration of the pore-forming agent in the direction away from the solid electrolyte layer increases. After sintering then forms due to the concentration gradient of the pore-forming agent a gradient in a pore density or porosity in the electrode. In this way, for example, at one of the solid electrolyte layer pioneering side of the electrode a increased surface to be created.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, welcher alternativ oder zusätzlich zu den oben beschriebenen Ausführungsformen eingesetzt werden kann, ist ein Aspekt einer indirekten Kontaktierung der Festelektrolytschicht durch die Elektrode mittels einer oder mehrerer Zwischenschichten. Der Gedanke dieser Zwischenschichten kann grundsätzlich in Kombination mit der oben beschriebenen Strukturierung der Elektrode in einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausführungsvarianten eingesetzt werden. Alternativ ist jedoch ein Einsatz in vollständig unstrukturierten Elektroden denkbar. Grundsätzlich kann für die möglichen Ausgestaltungen derartiger Sensorelemente beispielsweise auf die obige Beschreibung möglicher Ausgestaltungen der Sensorelemente mit strukturierten Elektroden verwiesen werden, wobei derartige Sensorelemente dann um den Aspekt der mindestens einen Zwischenschicht ergänzt werden müssen.One Another aspect of the present invention, which alternatively or in addition to the embodiments described above can be used, is an aspect of an indirect contact the solid electrolyte layer through the electrode by means of one or several intermediate layers. The idea of these intermediate layers can basically be combined with the structuring described above the electrode in one or more of the embodiments described above be used. Alternatively, however, use is complete Unstructured electrodes conceivable. Basically for the possible embodiments of such sensor elements For example, to the above description of possible embodiments of Sensor elements are referenced with structured electrodes, wherein Such sensor elements then the aspect of at least one Intermediate layer must be supplemented.
Das vorgeschlagene Sensorelement gemäß diesem Aspekt der Erfindung umfasst wiederum mindestens eine Festelektrolytschicht mit mindestens einem keramischen Festelektrolytmaterial und mindestens eine die Festelektrolytschicht indirekt kontaktierende Elektrode mit mindestens einem keramischen Material und mindestens einem metallischen Material. Dabei ist die Kontaktierung indirekt in dem Sinne, dass zwischen der Elektrode und der Festelektrolytschicht mindestens eine Zwischenschicht eingebracht ist. Diese Zwischenschicht weist erfindungsgemäß eine höhere Ionenleitfähigkeit und/oder eine höhere Elektronenleitfähigkeit auf als die Festelektrolytschicht.The proposed sensor element according to this aspect The invention again comprises at least one solid electrolyte layer with at least one ceramic solid electrolyte material and at least an electrode contacting the solid electrolyte layer indirectly with at least one ceramic material and at least one metallic one Material. The contacting is indirect in the sense that between the electrode and the solid electrolyte layer at least an intermediate layer is introduced. This intermediate layer has According to the invention, a higher ionic conductivity and / or higher electron conductivity as the solid electrolyte layer.
Dieser Aspekt der Erfindung zielt darauf ab, den Gesamtwiderstand des Elektrodensystems möglichst klein zu halten, wie es beispielsweise für das Niedertemperaturverhalten von Abgassonden vorteilhaft ist. Zu diesem Zweck wird der mindestens eine Übergangswiderstand der Elektrode und der Festelektrolytschicht verringert. Dabei lassen sich beispielsweise Dichte und gut ionenleitende Festelektrolytmaterialien auch für die Zwischenschicht einsetzen. Beispielsweise lassen sich dieselben Festelektrolytmaterialien, welche auch für die Festelektrolytschicht verwendet werden, auch allein oder in Kombination mit anderen Materialien in der mindestens einen Zwischenschicht einsetzen. Auch andere Materialien, beispielsweise keramische Materialien, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar. Besonders bevorzugt ist es, wenn sowohl das Festelektrolytmaterial als auch die Zwischenschicht jeweils Zirkondioxid, beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid, umfassen, wobei die Zwischenschicht eine höhere Dotierung, insbesondere eine höhere Yttrium-Dotierung und/oder eine höhere Dotierung mit Yttriumoxid, aufweist, als das Festelektrolytmaterial der Festelektrolytschicht.This aspect of the invention aims to keep the total resistance of the electrode system as small as possible, as is advantageous, for example, for the low-temperature behavior of exhaust gas probes. For this purpose, the at least one contact resistance of the electrode and the solid electrolyte layer is reduced. For example, density and good ion-conducting solid electrolyte materials can also be used for the intermediate layer. For example, the same Festelekt rolytmaterialien, which are also used for the solid electrolyte layer, use alone or in combination with other materials in the at least one intermediate layer. However, other materials, such as ceramic materials, are in principle applicable. It is particularly preferred if both the solid electrolyte material and the intermediate layer each comprise zirconium dioxide, for example yttrium-stabilized zirconium oxide, wherein the intermediate layer has a higher doping, in particular a higher yttrium doping and / or a higher doping with yttrium oxide, than that Solid electrolyte material of the solid electrolyte layer.
Das vorgeschlagene Sensorelement in einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausführungsformen sowie die vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung von Sensorelementen weisen gegenüber bekannten Sensorelementen und bekannten Verfahren eine Vielzahl von Vorteilen auf. So ist beispielsweise bei vielen Sensorelementen die verfügbare Elektrodenfläche, beispielsweise die Elektrodenfläche für die Außenelektroden (OE) und die Innenelektroden (IE), durch die Dimensionierung und den Aufbau der Sensorelemente beschränkt. Typische zur Verfügung stehende OE-Flächen bewegen sich bei planaren Sprungsonden beispielsweise zwischen 0,04 und 0,1 cm2. Dabei können beispielsweise rechteckige oder ovale Flächen eingesetzt werden, welche mittels einer Pt-YSZ-Cermet-Elektrodenpaste direkt auf eine Festelektrolytschicht, beispielsweise in Form einer keramischen Trägerfolie, aufgedruckt werden können. Die Zusammensetzung der Elektrodenpasten, beispielsweise der Anteil an Platin, YSZ sowie ggf. weiteren Komponenten, insbesondere organischen Komponenten wie Bindern, Lösungsmitteln, oder ähnlichem, kann zum Aufbringen der Elektroden durch drucktechnische Anforderungen zumindest mitbestimmt sein. Die minimal verwendbare Partikelgröße möglicher Ausgangsmaterialien, wie beispielsweise Rohstoffpulvern, und somit die Feinteiligkeit des resultierenden Cermets kann durch Kosten- und Arbeitssicherheitsaspekte limitiert sein. So kann die Korngröße der eingesetzten Feststoffe beispielsweise derart vorgegeben sein, dass diese eine bestimmte Grenze nicht unterschreiten, obwohl dies für die Maximierung der Anzahl von aktiven Zentren hilfreich wäre. So hat beispielsweise eine typische Pt-YSZ-Cermet-Elektrodenpaste beispielsweise eine Zusammensetzung von 60 bis 70 Gew.-% Platin, 10 bis 25 Gew.-% YSZ und 10 bis 20 Gew.-% organischen Anteilen mit einer Korngröße d90 > 15 μm für die eingearbeiteten Metall- und Keramikpulver.The proposed sensor element in one or more of the embodiments described above, as well as the proposed method for the production of sensor elements have a multiplicity of advantages over known sensor elements and known methods. For example, in many sensor elements, the available electrode area, for example, the electrode area for the outer electrodes (OE) and the inner electrodes (IE), is limited by the dimensioning and the structure of the sensor elements. Typical available OE areas move in planar jump probes, for example, between 0.04 and 0.1 cm 2 . In this case, for example, rectangular or oval surfaces can be used, which can be printed by means of a Pt-YSZ cermet electrode paste directly onto a solid electrolyte layer, for example in the form of a ceramic carrier film. The composition of the electrode pastes, for example the proportion of platinum, YSZ and optionally further components, in particular organic components such as binders, solvents or the like, can be at least co-determined for application of the electrodes by printing technology requirements. The minimum usable particle size of possible starting materials, such as raw material powders, and thus the fineness of the resulting cermet can be limited by cost and safety aspects. For example, the grain size of the solids used may be predetermined not to fall below a certain limit, although this would be helpful in maximizing the number of active sites. For example, a typical Pt-YSZ cermet electrode paste has, for example, a composition of 60 to 70% by weight of platinum, 10 to 25% by weight of YSZ and 10 to 20% by weight of organic fractions having a grain size d90> 15 μm for the incorporated metal and ceramic powder.
Um die Anzahl der aktiven Zentren bei geringerem Platin-Einsatz zu maximieren, kann gemäß dem ersten oben beschriebenen Aspekt der Strukturierung der Elektrode die Elektrodenfläche erfindungsgemäß durch eine horizontale (d. h. parallel zur lateralen Erstreckung) und/oder vertikale (d. h. senkrecht zur lateralen Erstreckung) Strukturierung vergrößert werden.Around the number of active sites with less platinum use too can maximize according to the first one described above Aspect of structuring the electrode the electrode surface according to the invention by a horizontal (i.e. parallel to the lateral extent) and / or vertical (i.e., perpendicular to the lateral extent) structuring enlarged become.
In dem weiteren Aspekt der zusätzlichen mindestens einen Zwischenschicht wird hingegen gezielt eine elektrische und/oder ionische Leitfähigkeit des Elektrodensystems verbessert. Der Gesamtwiderstand des Elektrodensystems ergibt sich aus der Summe der Durchgangswiderstände durch die Festelektrolytschicht und die beiden Elektrodenschichten (Bulk) sowie der Übergangswiderstände zwischen den Elektroden und der Festelektrolytschicht bzw. dem Keramiksubstrat (Interface). Beispielsweise kann sich ein derartiger Aufbau bei einer Lambdasonde im Fingersonden-Aufbau folgendermaßen gestalten:
- – Abgasraum
- – Äußere Elektrode (OE)
- – Zwischenschicht
- – Festelektrolytschicht
- – Zwischenschicht
- – Innenelektrode (IE)
- – Referenzluft.
- - exhaust gas space
- - Outer electrode (OE)
- - intermediate layer
- - Solid electrolyte layer
- - intermediate layer
- - inner electrode (IE)
- - Reference air.
Auch andere Schichtaufbauten sind jedoch grundsätzlich möglich und analog zu betrachten. Um den Gesamtwiderstand des Elektrodensystems möglichst klein zu halten, beispielsweise zur Verbesserung des oben beschriebenen Niedertemperaturverhaltens, lassen sich mittels der vorgeschlagenen, gut ionenleitenden und dichten Zwischenschichten die Übergangswiderstände stark verringern.Also However, other layer structures are basically possible and to look at it analogously. To the total resistance of the electrode system keep as small as possible, for example, to improve of the low-temperature behavior described above, can be by means of the proposed, good ion-conducting and dense interlayers greatly reduce the contact resistance.
Beispielsweise lassen sich Zwischenschichten aus YSZ einsetzen, welche auch einen Anteil an metallischem Material aufweisen können. Beispielsweise können wieder ein oder mehrere der oben beschriebenen metallischen Materialien eingesetzt werden, beispielsweise Platin. Vorzugsweise ist die Konzentration der metallischen Materialien in der Zwischenschicht jedoch geringer als in der Elektrode.For example Intermediate layers of YSZ can be used, which also have a Have a share of metallic material. For example may again be one or more of the metallic ones described above Materials are used, such as platinum. Preferably is the concentration of metallic materials in the interlayer but lower than in the electrode.
Weiterhin kann, alternativ oder zusätzlich, die Porosität der Zwischenschicht niedriger gehalten werden als die Porosität der Elektrode. So kann beispielsweise die Porosität der mindestens einen Zwischenschicht zwischen der Porosität der Elektrode, beispielsweise der Platin-Cermet-Elektrode, und der Porosität der Festelektrolytschicht liegen.Farther may, alternatively or additionally, the porosity the intermediate layer are kept lower than the porosity the electrode. For example, the porosity of at least one intermediate layer between the porosity the electrode, such as the platinum cermet electrode, and the porosity lie the solid electrolyte layer.
Beispielsweise können die Festelektrolytschichten 3 bis 7 mol-%, beispielsweise 5,5 mol-%, YSZ aufweisen, wobei diese Molangaben allgemein auf den Molgehalt an Yttriumoxid im Zirkonoxid bezogen sind. Beispielsweise können 5,5 mol-% Y2O3 im ZrO2 des Festelektrolyten vorliegen, hingegen beispielsweise 9,0 mol-% Y2O3 in der Zwischenschicht und beispielsweise 11,0 mol-% im Cermet. Beispielsweise kann ein Festelektrolytträger aus tetragonalem stabilisiertem ZrO2 (TPZ) mit 3,0 mol-% Y2O3 im ZrO2 oder aus teilstabilisiertem 5,5 mol-% Y2O3 im ZrO2 verwendet werden. Für die Zwischenschicht können beispielsweise 5,5 mol-% bis 8,0 mol-% Y2O3 verwendet werden, insbesondere in kubischer, voll stabilisierter Form. Für das Cermet der Elektroden können beispielsweise 8,0 mol-% bis 11 mol-% Y2O3 verwendet werden.For example, the solid electrolyte layers can have 3 to 7 mol%, for example 5.5 mol%, of YSZ, these molar amounts generally being based on the molar content of yttrium oxide in the zirconium oxide. For example, 5.5 mol% of Y 2 O 3 may be present in the ZrO 2 of the solid electrolyte, whereas, for example, 9.0 mol% of Y 2 O 3 in the intermediate layer and, for example, 11.0 mol% in the cermet. example example, a solid electrolyte support of tetragonal stabilized ZrO 2 (TPZ) with 3.0 mol% Y 2 O 3 in ZrO 2 or partially stabilized 5.5 mol% Y 2 O 3 in ZrO 2 can be used. For example, 5.5 mol% to 8.0 mol% of Y 2 O 3 can be used for the intermediate layer, in particular in cubic, fully stabilized form. For example, 8.0 mol% to 11 mol% Y 2 O 3 can be used for the cermet of the electrodes.
Die mindestens eine Zwischenschicht kann die Anbindung zwischen der Elektrode und der Festelektrolytschicht, beispielsweise dem Keramiksubstrat der Festelektrolytschicht, verbessern und den Übergangswiderstand verringern. Die mindestens eine Zwischenschicht kann ebenfalls strukturiert sein, beispielsweise gemäß einer oder mehrerer der oben beschriebenen Strukturierungsmethoden. So kann eine Strukturierung parallel zur lateralen Ausdehnung der Elektrode erfolgen und/oder eine Strukturierung senkrecht zu dieser lateralen Ausdehnung der Elektrode. Auf die oben beschriebenen Strukturierungstechniken kann in diesem Zusammenhang vollumfänglich verwiesen werden. So können beispielsweise gleichzeitig eine Strukturierung der mindestens einen Zwischenschicht und eine Strukturierung der mindestens einen Elektrode vorliegen. Die Zwischenschicht kann beispielsweise nicht-porös ausgestaltet sein. Beispielsweise kann die Zwischenschicht einen Anteil von 5 bis 11 mol-% Y2O3 im ZrO2 aufweisen, insbesondere einen Anteil zwischen 7 und 10 mol-% Y2O3 und besonders bevorzugt einen Anteil von ca. 8 mol-% Y2O3 im ZrO2.The at least one intermediate layer can improve the bonding between the electrode and the solid electrolyte layer, for example the ceramic substrate of the solid electrolyte layer, and reduce the contact resistance. The at least one intermediate layer can likewise be structured, for example according to one or more of the structuring methods described above. Thus, structuring can take place parallel to the lateral extent of the electrode and / or a structuring perpendicular to this lateral extent of the electrode. The structuring techniques described above can be fully referenced in this connection. Thus, for example, at the same time structuring of the at least one intermediate layer and structuring of the at least one electrode may be present. The intermediate layer can be designed, for example, non-porous. For example, the intermediate layer may have a proportion of 5 to 11 mol% Y 2 O 3 in ZrO 2 , in particular a proportion between 7 and 10 mol% Y 2 O 3 and particularly preferably a fraction of about 8 mol% Y 2 O 3 in ZrO 2 .
Diese höhere Dotierung der Zwischenschicht im Vergleich zu der Festelektrolytschicht bewirkt zwar zum einen in der Regel eine geringere mechanische Festigkeit der mindestens einen Zwischenschicht im Vergleich zu dem Festelektrolytmaterial der Festelektrolytschicht. Dies kann jedoch, insbesondere sofern die Zwischenschicht eine vorgegebene Dicke nicht überschreitet, toleriert werden, da mit steigender Dotierung zwar die Festigkeit sinkt, die Ionenleitfähigkeit jedoch steigt. Auf diese Weise kann die elektrische und/oder ionische Anbindung zwischen Festelektrolytschicht und Elektrode verbessert werden und somit der Übergangswiderstand verringert werden.These higher doping of the intermediate layer compared to the Although solid electrolyte layer usually causes a lower one mechanical strength of the at least one intermediate layer in comparison to the solid electrolyte material of the solid electrolyte layer. This can however, especially if the intermediate layer is a given one Thickness does not exceed, be tolerated, as with rising Doping, although the strength decreases, the ionic conductivity, however increases. In this way, the electrical and / or ionic connection be improved between solid electrolyte layer and electrode and Thus, the contact resistance can be reduced.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.embodiments The invention is illustrated in the drawings and in the following Description explained in more detail.
Es zeigen:It demonstrate:
Ausführungsformen der Erfindungembodiments the invention
In
den
Die
Elektrode
Wie
aus den
In
den
In
den
Bei
einem in den
Die
Ausführungsbeispiele in den
Eine
derartige laterale oder auch horizontale Strukturierung kann beispielsweise
bei einer Außenelektrode (OE) und/oder bei einer Innenelektrode
(IE) eingesetzt werden. Wie oben dargestellt, sind jedoch weitere
Ausgestaltungen möglich, beispielsweise Ausgestaltungen,
bei welchen nicht alle Elektroden strukturiert ausgestaltet sind.
Die Strukturierung
Die
Strukturierung
Alternativ
oder zusätzlich zu einer Einbringung der Strukturierung
Alternativ
oder zusätzlich kann eine Strukturierung auch beispielsweise
durch einen Einsatz von Porenbildnern in einer obersten Druckschicht
erfolgen bzw. durch Verwendung eines Hohlraumbildners mit sehr geringer
Dichte, welcher in der Elektrodenpaste nach dem Aufbringen quasi
aufschwimmt und dadurch einen Dichtegradienten in der Elektrode
Zur
Herstellung der lateralen Strukturierung
Dabei lassen sich beispielsweise sehr schwer fest ausgestaltete Elektrodenpasten einsetzen. Im nicht getrockneten Zustand können sehr zähe und/oder klebrige Elektrodenpasten beispielsweise Elektrodenpasten mit langkettigen Bindersystemen, auch direkt nach dem Aufbringen, beispielsweise Aufdrucken, aufgrund ihrer Zügigkeit, d. h. Klebrigkeit, an der Oberfläche aufgeraut werden. Verschiedene andere Techniken sind möglich.there For example, it is very difficult to make firmly fixed electrode pastes deploy. When not dried can be very tough and / or sticky electrode pastes, for example electrode pastes with long-chain binder systems, also directly after application, for example, imprinting, due to their tackiness, d. H. Tackiness, roughened on the surface. Various other techniques are possible.
Weiterhin
sei darauf hingewiesen, dass in den
Wie
oben dargestellt, besteht ein weiterer Gedanke der vorliegenden
Erfindung darin, die Funktionalität der Elektrodenstrukturen
durch die Verwendungen einer oder mehrerer Zwischenschichten zusätzlich
zu verbessern. Auf diese Weise lässt sich insgesamt die
elektrische und ionische Leitfähigkeit des Elektrodensystems
erhöhen und der Gesamtwiderstand des Elektrodensystems
verringern. Derartige Zwischenschichten sind auch mit einer lateralen Strukturierung
kombinierbar. So zeigt
Im
Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen gemäß den
Die
mindestens eine Zwischenschicht
So
kann beispielsweise in einer Ausgestaltung das Festelektrolytmaterial
In
Weiterhin
ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß
Wie
oben dargestellt, lässt sich diese vertikale Strukturierung
Die
vertikale Strukturierung
Der
durch die vertikale Strukturierung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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