固体酸化物電解質用イットリア安定化ジルコニアの熱老化による不安定化とイオン伝導性

Destabilization and Ion Conductivity of Yttria-Stabilized Zirconia for Solid Oxide Electrolyte by Thermal Aging.

抄録

イットリア安定化ジルコニアの熱時効による劣化挙動を、相変態、局所原子構造、電気伝導度の観点から検討した。8YSZの平均粒径は、時効温度の上昇とともに20.83μmから25.81μmに増加した。異なる温度で劣化させたすべての8YSZサンプルは、優勢な立方体構造を有していた。1300および1400℃で劣化した8YSZの（400）ピークは高角度にシフトし，正方晶のピークは指標化されなかった。1500℃で劣化した8YSZでは、(400)ピークが低い角度にシフトし、正方晶のピークが確認された。拡張X線吸収微細構造を用いて、劣化した8YSZの局所的な微細構造を解析したところ、劣化温度の上昇に伴い、Zr-Oのピーク強度が徐々に増加し、カチオン性Zrのピーク強度が減少することが確認された。このピークの変化は、酸素空孔が減少し、Yイオンが格子から抜け出し、8YSZが不安定化したことを示す。1300℃と1400℃における8YSZの活性化エネルギーはそれぞれ0.86eVと0.87eVであることが導かれ、1500℃における8YSZの活性化エネルギーは0.92eVと大きく上昇した。8YSZの熱劣化に伴い、カチオン（Y）が格子から抜け出し、酸素空孔が減少した結果、正方晶構造が形成され、1500 ℃で高い活性化エネルギーが得られた。

The degradation behavior of yttria-stabilized zirconia by thermal aging was investigated in terms of phase transformation, local atomic structure, and electrical conductivity. The average grain size of 8YSZ was increased from 20.83 μm to 25.81 μm with increasing aging temperature. All 8YSZ samples degraded at different temperatures had a predominantly cubic structure. The (400) peak of 8YSZ deteriorated at 1300 and 1400 °C shifted to a high angle, and the peak of tetragonal was not indexed. For 8YSZ degraded at 1500 °C, the (400) peak shifted to a lower angle, and the peak of tetragonal was identified. Analysis of the local microstructure of aged 8YSZ using extended X-ray absorption fine structure showed that the intensity of the Zr-O peak gradually increased and that the intensity of the peak of cationic Zr decreased as the aging temperature increased. The changes in the peaks indicate that the oxygen vacancies were reduced and Y ions escaped from the lattice, leading to the destabilization of 8YSZ. The activation energies of 8YSZ at 1300 °C and 1400 °C were derived to be 0.86 and 0.87 eV, respectively, and the activation energy of 8YSZ at 1500 °C increased significantly to 0.92 eV. With the thermal deterioration of 8YSZ, the cation (Y) escaped from the lattice and the number of oxygen vacancies decreased, resulting in the formation of a tetragonal structure and high activation energy at 1500 °C.