随着社会和工业的快速发展,各行各业对能源的需求日益增加。然而随着化石能源的枯竭及其燃烧带来的一系列环境污染问题,开发安全、清洁、高效的新能源成为全球发展的必然趋势。固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)作为一种新型能源转换装置,可以将化学能直接转换为电能,并且能源利用率高、其燃料适用范围广及其全固态结构特点,被视为最具有商业化应用的新型能源技术。SOFC的发展历史虽已有100多年,但是由于其高温操作所带来的材料器件制备成本昂贵而阻碍了其商业化进展,因此降低操作温度(<600 ℃)和制作成本是SOFC目前研究领域的主流方向。然而,低温操作需要提高电解质的离子导电性和电极的催化活性,所以开发低温下具有良好离子导电性的电解质材料成为目前SOFC研究的一大热点。本论文主要研究新型ABO2层状电解质材料在低温SOFC中的电性能,主要取得如下研究成果:(1)层状结构铜铁矿CuFeO2具有优越的空穴传导能力,其对质子传输具有较低的活化能。天然铜铁矿不仅价格低廉,而且在低温下就有离子质子传导性能。将天然铜铁矿CuFeO2与YSZ复合作为电解质材料应用于SOFC中,探究不同复合比例对其电化学性能的影响,发现最佳复合比例为5:5。天然铜铁矿单独作为电解质时的电压为0.97 V,功率为281.25 mW·cm-2,当其与YSZ复合之后,电压从0.97 V上升到1.2 V,当复合比例为5:5时,功率达到562 mW·cm-2。在550 ℃以最佳复合比例作为电解质材料,50 mA/cm2的电流密度放电,电压保持在0.7 V以上,可以稳定10 h,证明该材料具有一定的稳定性。(2)为进一步研究纯相ABO2结构材料的离子导电行为,我们通过水热法人工合成CuFeO2和CuCrO2纳米材料。通过水热法合成了纯相的CuFeO2,由于p型半导体材料CuFeO2具有较高的电子导电性,所以将CuFeO2与n型的ZnO复合,探究p-n结和复合比例对电池性能的影响,寻找出最佳复合比例。研究发现CuFeO2单独作为电解质时的电压为0.2 V,而ZnO单独作为电解质时功率输出为296.8 mW·cm-2,当CuFeO2与ZnO按照不同比例复合,CuFeO2:ZnO=1:9时,其电压达到1.03 V,其功率输出达到468 mW·cm-2,为不同复合比中最高,所以最佳复合比例为1:9。并且在550 ℃,氢气空气氛围下以最佳复合比例作为电解质,以50 mA·cm-2放电,电压保持在0.8 V以上可以稳定6 h以上,证明该材料具有较好的稳定性。水热法合成的CuCrO2也是一种p型材料,将CuCrO2与传统的离子导体SDC复合,构建半导体离子机制,减弱CuCrO2的电子电导性,实现其在低温下良好的离子传导特性。探究不同复合比例在低温下的功率输出,发现CuCrO2与SDC不同比例复合时,当CuCrO2:SDC=3:7时,在550 ℃功率密度最大,可以达到656.3 mW·cm-2 ,电压为0.97 V,有效的避免了CuCrO2自身短路的问题。并且该功率密度相比于CuFeO2与ZnO复合的体系有着明显的增强。(3)用溶胶凝胶法合成层状LiAl0.5Co0.5O2,发现在溶胶凝胶法制备工艺中,当煅烧温度为400 ℃时,就已经有纯相的LiAl0.5Co0.5O2生成,当煅烧温度进一步升高到800 ℃,煅烧3 h,会有微量的Co3O4出现。探究不同煅烧温度对电池性能的影响,发现当煅烧温度为800 ℃时处理1 h,其功率输出为最高,可达1.3 W/cm2,该功率为目前最高值。进一步探究该材料的长期稳定性,发现在550 ℃以100 mA/cm2的电流密度输出,使电压保持在0.8 V以上可以稳定16 h,证明该材料具有良好的稳定性。