一种锡酸钡基复相电解质材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种锡酸钡基复相电解质材料及其制备方法，属于陶瓷材料技术领域。本发明专利技术利用Zn和Y共掺杂的方式，获得易烧结、高电导率和化学稳定性BaSn0.5Y0.46Zn0.04O2.73为基体；通过溶胶-凝胶与球磨相结合的方法使第二相Ce0.8Sm0.2O2.9均匀包裹在BaSn0.5Y0.46Zn0.04O2.73的表面，获得具有核壳结构的纳米复相材料。基于两相界面的质子和氧离子快速传导机理，获得易烧结、高稳定性和高电导率的质子/氧离子共传导BaSn0.5Y0.46Zn0.04O2.73/Ce0.8Sm0.2O2.9复相电解质材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于陶瓷材料
，特别涉及高导电性复相电解质材料及其制备方法。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(SOFCs)作为一种全固态高效、清洁、环境友好的能源转换装置，其广阔的应用前景受到人们的高度关注，被誉为最有前景的新能源技术之一。然而，目前固体氧化物燃料电池还存在一些重大科学和技术问题亟待解决，如较高的工作温度(800 - 1000 V )，这增加了材料选择难度和制造成本，降低了燃料电池的使用寿命，严重制约了 SOFCs的商业化发展。因此，提高固体电解质材料的电导率，使其在300~600 °(:时达到0.01-0.1 S cm \是高性能SOFCs的基本要求之一，也是SOFCs商业化需要解决的关键问题之一。传统的S0FC电解质材料，如Y掺杂Zr02需要在1000°C高温下电导率才能达到0.1S cm1，而掺杂Ce02 (如Sm或Gd掺杂Ce02)在800°C下电导率可达到0.1 S cm1，但该材料在低氧分压条件下，存在电子导电，这抑制了其在S0FC的应用。钙钛矿型质子导体材料被认为是一种理想的中低温SOFCs的电解质材料。掺杂的BaCe(M^料因其在中低温下具有较高的质子电导率而受到广泛的关注，然而，在600 °C以下，其在高浓度含量的0)2和Η 20长期稳定性是一个问题，而掺杂8&2抑3在C0 2和Η 20下具有非常好的化学稳定性、力学性能和高晶粒电导率，但该材料的难烧结性和高晶界电阻妨碍了该材料的实际应用。近年来，在材料设计中广泛使用的复相技术被应用于固体电解质材料的设计。针对掺杂Ce02在低氧分压下存在电子电导，导致电池的开路电压(0CV)和输出功率降低的问题。根据相界面离子高速传导机理，研究人员通过向掺杂Ce02中引入第二相，抑制电子电导，提高电导率和单电池性能，如B.Zhu等提出混合SDC(75 wt%)和BaCeasYa202.9 (25 wt%)制备H+/02混合传导的复相电解质，解决了 SDC的电子传导和掺杂BaCeO 3在C0 2气氛下的不稳定问题，在550°C功率密度达到了 250 mff cm 2，这远高于单相SDC和BaCeasYa202.9 (ZhuB et al.，Novel hybrid conductors based on doped ceria and BCY20 for ITS0FCapplicat1ns.Electrochem.Cornrnn.，2004，6: 378-383)。D.Medvedev 等报道SDC (50 wt%) - BaCe0.8Sm0.202.9 (50 wt%)复相电解质，在 700°C 电导率达到 0.0204 S cm1，功率密度为505 mff cm 2 (D.Medvedev et al, Novel composite solid state electrolyteson the base of BaCe03 and Ce02 for intermediate temperature electrochemicaldevices , Journal of Power Sources, 221: 217-227，2013)。上述研究表明，SDC-渗杂8&0603复相电解质很好解决了 SDC的电子电导和掺杂BaCeO 3在C02气氛下的不稳定性，但电导率还是低于SDC。较高的烧结温度不仅使材料的制作成本提高，还可能带来组分上的变化，在1400°C及以上的温度下，BaO存在明显的挥发现象。添加烧结助剂已经被证实是一种很好的改善烧结性能的方式，其中ZnO作为烧结助剂改善的效果尤为明显。Babilo等人在2005年报道了 ZnO可以作为BaZr03基质子导体非常优异的助烧结剂，在加入4mol % ZnO的情况下，BaZr0.85Y0.1503 δ的烧结温度从1700°C显著降低到了 1300°C。随后Tao等人报道了一种4mol % ZnO通过B位掺杂质子导体材料BaCea5Zra3Yai6ZnaM03 δ，并证明了其优越的烧结性能，较高的电导率，以及在C02气氛下的稳定性。.J.Am.Ceram Soc,2005, 88(9):2362-2368; Tao S ff,Irvine J T S.A stable，easily sinteredproton-conducting oxide electrolyte for moderate—temperature fuel cells andelectrolyzers.Adv.Mater,2006, 18(12):1581-1584]。稀土掺杂BaSn03作为一种新型高温质子导体，具有BaCeO 3和BaZrO 3两种高温质子导体的优点，如研究表明Y掺杂BaSn03具有BaCeO 3高温质子导体的电导率和BaZrO 3高温质子导体的稳定性，被认为是一种理想的固体氧化物燃料电池的电解质材料。但该材料也存在难烧结以及电导率不能满足中低温固体氧化物燃料电池电解质的要求等缺点。
技术实现思路
本专利技术旨在提供，通过利用Zn和Y共掺杂的方式，获得易烧结、高电导率和化学稳定性的Zn和Y共掺杂BaSn03S基体。通过溶胶-凝胶法和球磨相结合的方式使第二相Sm掺杂Ce02均匀包裹在基体材料表面，获得具有核壳结构的纳米复相粉体。基于两相界面的质子和氧离子快速传导机理，实现在较低烧结温度下高致密和高电导率的纳米复相电解质。本专利技术可以通过以下方案来实现: 本专利技术提供了一种锡酸钡基复相电解质材料，复相电解质的组成和含量如下:基体为 BaSn0.5Y0.46Ζη0.0402.95: 10-70 wt% ；第二相材料为 Ce0.8Sm0.202.9 = 30-90 wt%。本专利技术提供了上述锡酸钡基复相电解质材料的制备方法，包括以下步骤: (1)按BaSnQ.5Ya46ZnQ.Q402.95化学计量比称取BaC03、Sn02、Y203和ZnO，乙醇作为球磨介质，300~600 rpm球磨5~10 h，在80~100°C干燥后，置于空气中800~1000°C锻烧2~3 h ； (2)按Ce0.8Sm0.202.9化学计量比称取Ce(N03)3.6H20和Sm(N03)3_6H20，配成阳离子摩尔浓度为2~6 mol/L的水溶液，然后加入络合剂柠檬酸(CA) ,逐滴加入NH3.Η 20调节混合溶液ΡΗ=7 ;再将步骤(1)所得的粉体分散在该水溶液中，超声分散10~30 min，在300~600 rpm球磨3~5 h，取出加热搅拌至透明凝胶；上述 BaSna5YQ 46ZnaQ402 7；r^ Ce Q.sSma202 9的质量比为:10~70:30~90 ； (3)将步骤(2)所得凝胶在80~100°C下干燥8~10h，在800~1000°C热处理2~3 h获得CeasSm0.202.9包裹BaSn a5YQ.46ZnaQ402.7^米复相粉体，将纳米复相粉体装入模具在50-100MPa进行干压成型，在1200~1300°C高温烧结3~5 h，最终得到电解质材料。本专利技术利用Zn和Y共掺杂BaSn03的方式，获得易烧结、高质子传导率和化学稳定性的BaSnQ.5Ya46Z本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锡酸钡基复相电解质材料，其特征在于：由以下重量百分比的组分组成：基体为BaSn0.5Y0.46Zn0.04O2.73：10~70%；第二相材料：Ce0.8Sm0.2O2.9：30~90%。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王延忠，董英鸽，张国祥，刘炜，常青，胡胜亮，杨金龙，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14