Auswirkung der Mikrostruktur von Yttrium-stabilisiertem Zirconiumdioxid auf dessen Leitfähigkeit

Abstract

Yttrium-stabilisiertes Zirconiumdioxid (YSZ) ist eine Keramik, welche über eine hohe ionische Leitfähigkeit bei hohen Temperaturen verfügt (~600-1000°C). Aufgrund seiner Eigenschaft, ausschließlich Sauerstoffanionen zu leiten, findet es Anwendung als Elektrolytmaterial in Festoxidbrennstoffzellen und Lambdasonden. Gerade bei SOFCs ist eine hohe Leitfähigkeit bei möglichst geringen Temperaturen (700-800°C) für eine hohe Energieeffizienz und geringe Degradation der Zelle von sehr großer Bedeutung. Ziel dieser Arbeit war es, eine möglichst genaue Kenntnis über die Auswirkungen der Mikrostruktur auf die elektrischen Eigenschaften von YSZ zu bekommen. Um dies zu erreichen, wurden mono-, bi- und polykristalline Proben, welche teils unterschiedlichen Wärmebehandlungen unterzogen wurden, impedanzspektroskopisch im Bereich zwischen 230 und 950°C charakterisiert. Diese Charakterisierungen erfolgten mit Platin-Elektroden in paralleler symmetrischer Anordnung und an Mikroelektroden aus (La0.6Sr0.4)CoO3-d. Zusätzlich wurde durch Röntgenfluoreszenzanalysen und Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma die Yttrium-Konzentration der Proben und mittels Röntgenbeugung die Gitterparameter ihrer kubischen Einheitszelle bestimmt.<br />In einer intensiven Literaturrecherche wurden die Modelle, welche die Ionenleitung in dotiertem Zirconiumdioxid beschreiben, analysiert. Aus zwei dieser Modelle, dem Assoziat- und dem Barriere-Modell wurden Fitfunktionen für die Temperaturabhän-gigkeit der Leitfähigkeit abgeleitet, um Aktivierungsenergien der Ionenleitungspro-zesse ermitteln zu können. Neben der Abhängigkeit der Aktivierungsenergien und Leitfähigkeiten von der Dotier- ionen-Konzentration konnte gezeigt werden, dass unterschiedliche Wärmebehandlungen die Leitfähigkeit und Aktivierungsenergien von monokristallinen Proben beeinflussen. Als mögliche Erklärung dieses Phänomens wird eine durch die Wärmebehandlungen geänderte Kationenverteilung im ionischen Gitter vorgestellt.

Yttria-stabilized Zirconia (YSZ) is an oxygen ion conducting ceramic material, which offers a high ionic conductivity at elevated temperatures (~600-1000°C). Due to its ability to solely conduct oxygen ions the material is an excellent choice for applica-tions such as solid oxide fuel cells (SOFCs) or oxygen sensors. Especially for solid oxide fuel cells a high ionic conductivity at relatively low temperatures (700-800°C) is required to provide high energy efficiency at low degradation rates of the cell. Goal of this study was to get a better understanding of the effect of the microstructure of YSZ on its electrical properties. Impedance spectroscopy measurements were performed on mono-, bi- and polycrystalline samples within a temperature range between 230 and 950°C. Some of those samples underwent different heat treatments. The impedance spectroscopy measurements were made on samples with parallel, symmetrical platinum electrodes and microelectrodes made of (La0.6Sr0.4)CoO3-d. To receive knowledge about the samples' yttria concentration X-ray fluorescence (XRF) and mass spectrometry measurements with inductively coupled plasma (ICP-MS) were performed.<br />X-ray diffraction (XRD) measurements provided values for the lattice constant of the cubic elementary cell. Additionally, an extensive literature research was made to get an overview about the existing models describing the ion conduction process in doped zirconia ceramics.<br />From two of these models, the associate-model and barrier-model, fitting functions were derived in order to receive activation energies of the ion conduction processes from conductivity data. Apart from the dopant concentration dependence of ionic conductivity and activation energies, a significant effect of heat treatments on these two properties of single crystals could be shown. A possible explanation for this behavior could be a changed cation distribution within the ionic lattice of YSZ.<br />