Exploring multi-material design strategies to enhance mechanical performance and maintain ionic conductivity in zirconia-based electrolytes

Die wachsende Nachfrage nach hocheffizienten elektrochemischen Energieumwandlungs- und -speichersystemen hat die Forschung im Bereich der Feststoffelektrolyte auf Zirkoniumoxidbasis aufgrund ihrer günstigen Kombination von Materialeigenschaften vorangetrieben. Um die strukturelle Integrität der Zelle zu erhöhen, wurde ein Multimaterial-Design auf den Keramikelektrolyten angewendet, mit dem Ziel, dessen Festigkeit durch die Einführung von oberflächennahen Druckeigenspannungen zu erhöhen. Die dadurch hervorgerufenen Zugspannungen im Inneren des Materials können sich außerdem positiv auf die Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten auswirken. In dieser Arbeit wird ein Multischicht-Ansatz untersucht, um die mechanische Festigkeit des Elektrolyten zu erhöhen und gleichzeitig seine funktionellen Eigenschaften zu erhalten. Es sollen zwei verschiedene Designs für Multimaterial-Elektrolyte mit Oberflächenschichten unter Druckspannungen oder Zugspannungen in der Ebene getestet werden, um entweder eine höhere Festigkeit oder eine verbesserte Schadenstoleranz zu erreichen. Die untersuchten Materialien sind 8 mol-% Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid (8YSZ) im Wechsel mit Aluminiumoxid verstärkten Zirkonoxidschichten (ATZ) unterschiedlicher Zusammensetzung (von 30 Vol.% bis 50 Vol.% Aluminiumoxid). Ein angepasster Ball-on-Three-Balls-Test (B3B) wird verwendet, um die Festigkeitsverteilung der Multimaterial-Konstruktionen zu bewerten und mit ihren monolithischen Pendants zu vergleichen. Darüber hinaus wird das Risswiderstandsverhalten durch Thermoschockversuche mit einer Temperaturdifferenz von bis zu 600 °C bei Multimaterial-Konstruktionen mit internen ATZ-Schichten qualitativ bewertet. Zwischen 600 °C und 1000 °C wird eine elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) durchgeführt, um die Ionenleitfähigkeit aller Proben zu messen. Insgesamt zeigen die Ergebnisse einen Kompromiss zwischen mechanischen Eigenschaften und Ionenleitfähigkeit und bieten wertvolle Einblicke in Multimaterial-Designstrategien zur Verlängerung der Lebensdauer zukünftiger Festoxidbrennstoffzellen durch Festigkeitssteigerung und Schadenstoleranz.