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Chapitre I : Etude bibliographique 19
I.2.3.2 La zircone :
Tout d’abord, notons que la théorie de la conductivité ionique dans les solides est
présentée en annexe 1.
En ce qui concerne les électrolytes solides, le plus connu à ce jour est la zircone
stabilisée par l’oxyde d’yttrium (YSZ).
La zircone (ZrO2) se trouve sous sa forme quasiment pure dans la baddeleyite et est
combinée à la silice dans le zircon. Elle est caractérisée par son polymorphisme. Elle se
présente sous trois formes différentes qui dépendent de la température. De la température
ambiante jusqu’à 1173°C, la zircone se présente sous forme monoclinique, de 1170°C à
2370°C sous forme quadratique ou tétragonale. La transformation de phase est alors similaire
à une transformation martensitique et la forme quadratique peut se retrouver sous deux types
de structure différents, une structure fluorine de type CaF2 légèrement déformée et une autre
tétragonale primitive de type HgI2. De 2370°C à 2710°C, la zircone se présente sous sa
forme cubique de type fluorine. Sous cette dernière forme, la zircone est un bon conducteur
ionique. [Lombard, 1985]
Cependant, la phase cubique n’est pas stable à température ambiante et le retour de la
phase cubique à la phase monoclinique s'effectue avec une augmentation de volume de
l'ordre de 3 à 5% à 800°C ce qui produit des fissurations [A.C. Léger, 1997], [Lombard,
1985]/, la zircone pure n'est donc pas intéressante car une des propriétés essentielles requises
pour avoir un bon électrolyte est une imperméabilité aux gaz. Il faut donc stabiliser la forme
cubique (à structure fluorite) à la température ambiante car sa forte concentration en lacunes
d'oxygène favorise le transport ionique.
La mise en solution d’oxydes divalents (MgO, CaO) ou trivalents (Y2O3, Sc2O3) crée
des lacunes dans le sous-réseau d’oxygène, relaxe la structure et permet d’obtenir la phase
cubique ou la phase tétragonale non transformable stabilisées à la température ambiante en
fonction du pourcentage de dopant. Ces structures présentent une forte concentration en
lacunes d’oxygène, ce qui permet d’avoir une bonne mobilité des ions d’oxygène à travers
l’électrolyte. En effet, augmenter le nombre de lacunes d’oxygène permet de diminuer la
teneur en défauts ponctuels du sous-réseau cationique, la mobilité des cations est alors faible
et une forte mobilité des ions d’oxygène est favorisée. [Quéré, 1988], [Kittel, 1993], [Stevens
et al, 1995], [Manning, 1997], [Sammes, 1997], [Philibert, 1985]