钪锆氧化物复合体、电解质材料及固体氧化物燃料电池制造技术

本发明专利技术提供了一种钪锆氧化物复合体、电解质材料及固体氧化物燃料电池。该钪锆氧化物复合体包括氧化钪稳定氧化锆，氧化钪稳定氧化锆中氧化钪在钪锆氧化物复合体中的含量为3～15mol％，钪锆氧化物复合体的相结构含有立方相和菱方相。通过控制氧化钪的含量在一定范围内使氧化钪与氧化锆以合理的配比进行协同作用，进而使钪锆氧化物复合体含有立方相和菱方相。由于不同的相结构具有不同的晶胞参数，因而含有立方相和菱方相能提高烧结陶瓷的晶界自由能，有利于提高氧离子迁移率，增大电导率。同时，不同相结构相互协同或耦合，在空间位置中互相填充组合，形成稳定的空间架构，从而提高了钪锆氧化物复合体烧结后的高温热稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及钪锆氧化物复合体
，具体而言，涉及一种钪锆氧化物复合体、电解质材料及固体氧化物燃料电池。
技术介绍
煤炭、石油以及天然气等含碳化合物统称碳基燃料，是中国乃至世界的主要能源资源。目前碳基燃料的一次发电效率仅为30％左右，污染大、温室气体排放多。固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种可以直接将燃料的化学能转化为电能的电化学发电装置。由于具有高效率低污染的优点，被世界公认为21世纪的革命性绿色能源技术，符合节能减排的国家政策与低碳经济的要求，是发达国家竞相开发和竞争的焦点。固体氧化物燃料电池(SOFC)是高效洁净利用碳基燃料的最有效途径，一次发电效率高达50-60％，是知识技术密集、物质资源消耗少、成长潜力大、综合效益好的新型引导性产业。在单个电池中，电极材料及电解质材料的烧结性能热匹配性差、电解质的电导率不稳定以及电池强度较弱导致的结构破坏等，均有可能导致整个电池堆性能的衰减。因此，加紧对电解质材料的研究是SOFC的商业化发展的关键。目前，绝大多数商用的SOFC是以6-10mol％氧化钇稳定氧化锆(YSZ)为固体电解质。然而，以YSZ为电解质的传统SOFC存在操作温度高，电池材料会产生不良界面反应，电导率较低和密封难度大等问题，制约了SOFC的商业化发展。因此，增强SOFC电导率，已成为SOFC商业化发展的必然趋势。而氧化钪稳定氧化锆(ScSZ)由于具有优良的氧离子电导性能，已发展成为SOFC的新型电解质材料。国内外对钪锆氧化物复合体进行了相关研究。但大多报道都是采用在ScSZ中掺杂元素的方式进行改进。所掺杂的元素有Ce，而这样所制备的样品在800℃的最高电导率为0.084S/cm。还有掺杂Al、掺杂Mg和Ca以及掺杂Al和Bi。除此之外，钪锆氧化物复合体中还能掺入其他稀土，比如Y和Ce。其中，掺入了Y元素所形成的固体电解质能在较低温度下工作。而掺入Ce元素，能降低烧结温度和成本。还有报道以粉状有机镍盐混合物作为Ni源，通过Ni掺杂获得更好性能的燃料电池电极材料。现有技术也有通过制备方法的改进来提高材料性能的报道：比如，通过控制醇-水溶液浓度及比例，并对得到的溶胶进行后处理得到氧化锆基复合纳米粉体；或者，采用常压水解-低压水热法，制备掺杂均匀、烧结温度低的粉体；或者，通过pH值来控制共沉淀过程，进而提高ScSZ的电导率。综上可知，上述现有的钪锆氧化物复合体主要通过元素掺杂以及制备方法的优化来提高电导率，但这类改进对电导率的提高有限，且在高温下的导电率不稳定，很难形成批次稳定性良好工业化的生产。因此，仍需要对现有技术进行改进，以进一步提高钪锆氧化物复合体的高温电导率和高温热稳定性。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种钪锆氧化物复合体、电解质材料及包含其的固体氧化物燃料电池，以提高钪锆氧化物复合体的高温电导率和高温热稳定性。为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种钪锆氧化物复合体，该钪锆氧化物复合体包括氧化钪稳定氧化锆，氧化钪稳定氧化锆中的氧化钪在钪锆氧化物复合体中的含量为3～15mol％，钪锆氧化物复合体的相结构包含立方相和菱方相。进一步地，具有菱方相的钪锆氧化物复合体在钪锆氧化物复合体中的含量为0.1～40wt％，优选为1～20wt％。进一步地，钪锆氧化物复合体中，立方相与菱方相的重量比为1.5～999：1，优选为4～99：1。进一步地，钪锆氧化物复合体的相结构中还包含四方相，且四方相与立方相的总量占钪锆氧化物复合体的比例为60～99.9wt％。进一步地，钪锆氧化物复合体的微观形貌呈球形或类球形，钪锆氧化物复合体的一次粒径为10～180nm，优选为50～120nm。进一步地，钪锆氧化物复合体的体积平均粒径D(4，3)为0.3～1.0μm，表面积平均粒径D(3，2)为0.2～0.8μm，中值粒径D50在0.1～0.8μm之间。进一步地，钪锆氧化物复合体的比表面积为3～20m2/g，优选为5～12m2/g。进一步地，钪锆氧化物复合体还包括金属M的氧化物，金属M为除钪外的稀土元素、过渡金属元素、碱土金属元素以及其他金属元素中的任意一种或多种，其他金属元素包括Ti、Al、Bi和In中的任一种或多种；优选金属M的氧化物在钪锆氧化物复合体中的含量小于等于5mol％。进一步地，除钪外的稀土元素为La、Ce、Pr、Nd、Y、Sm、Eu、Tb和Yb中的一种或多种；过渡金属元素为Cu、Mn和Ni中的任一种或多种；碱土金属元素为Mg、Ca、Sr和Ba中的任一种或多种。为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种电解质材料，该电解质材料包含上述任一种钪锆氧化物复合体。根据本专利技术的另一方面，提供了一种固体氧化物燃料电池，包括电解质、电极以及双极板，该电解质包含上述任一种钪锆氧化物复合体。进一步地，固体氧化物燃料电池在800℃条件下的发电效率为0.5W/cm2～0.8W/cm2。应用本专利技术的技术方案，通过控制氧化钪的含量在一定范围内，使得氧化钪与氧化锆之间以合理的配比进行协同作用，进而使所形成的钪锆氧化物复合体含有立方相和菱方相。由于不同的相结构具有不同的晶胞参数，因而含有上述立方相和菱方相的钪锆氧化物复合体具有多种相晶界，烧结后提高了所形成的烧结陶瓷的晶界自由能，有利于提高氧离子迁移率，增大电导率。同时，在不同相结构之间相互协同或者耦合作用下，不同相结构的晶格在空间位置中互相填充组合，形成稳定的空间架构，使得钪锆氧化物复合体烧结后具有较高的热稳定性，从而使得钪锆氧化物复合体的高温稳定性得以提高。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1示出了本专利技术一种优选实施例中钪锆氧化物复合体的TEM形貌；图2示出了本专利技术提供的实施例1的钪锆氧化物复合体的XRD图谱；图3示出了本专利技术优选实施例的钪锆氧化物复合体的粒度分布图；以及图4示出了本专利技术对比例1钪锆氧化物复合体的XRD图谱。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本专利技术。正如
技术介绍
部分所提到的，现有技术中所制备的钪锆氧化物复合体的在高温下的电导率低，为了改善上述状况，专利技术人对钪锆氧化物复合体进行了深入的分析和研究，发现钪锆氧化物复合体的相结构以及相含量的变化对钪锆氧化物复合体的高温热稳定性有重要影响，通过进一步的研究发现，与当下公认的钪锆氧化物复合体为立方相，且不含杂相或杂相越少热稳定性越好电导率越高的观点截然相反，当钪锆氧化物复合体含有杂相(菱方相)时具有很好的热稳定性和较高的电导率，且具有一定含量的杂相使得高温电导率变得更稳定。基于上述研究结果，在本专利技术一种典型的实施方式中，提供了一种钪锆氧化物复合体，该钪锆氧化物复合体包括氧化钪稳定氧化锆，氧化钪稳定氧化锆中的氧化钪在钪锆氧化物复合体中的含量为3～15mol％，钪锆氧化物复合体的相结构含有立方相和菱方相。上述钪锆氧化物复合体，通过控制氧化钪的含量在一定范围内，使得氧化钪与氧化锆之间以合理的配比进行协同作用，进而使所形成的钪锆氧化物复合体含有立方相和菱方相。由于不同的相结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钪锆氧化物复合体，其特征在于，所述钪锆氧化物复合体包括氧化钪稳定氧化锆，所述氧化钪稳定氧化锆中的氧化钪在所述钪锆氧化物复合体中的含量为3～15mol％，所述钪锆氧化物复合体的相结构包含立方相和菱方相。

【技术特征摘要】
1.一种钪锆氧化物复合体，其特征在于，所述钪锆氧化物复合体包括氧化钪稳定氧化锆，所述氧化钪稳定氧化锆中的氧化钪在所述钪锆氧化物复合体中的含量为3～15mol％，所述钪锆氧化物复合体的相结构包含立方相和菱方相。2.根据权利要求1所述的钪锆氧化物复合体，其特征在于，具有所述菱方相的钪锆氧化物复合体在所述钪锆氧化物复合体中的含量为0.1～40wt％，优选为1～20wt％。3.根据权利要求1所述的钪锆氧化物复合体，其特征在于，所述钪锆氧化物复合体中，所述立方相与所述菱方相的重量比为1.5～999：1，优选为4～99：1。4.根据权利要求1所述的钪锆氧化物复合体，其特征在于，所述钪锆氧化物复合体的相结构中还包含四方相，且所述四方相与所述立方相的总量占所述钪锆氧化物复合体的比例为60～99.9wt％。5.根据权利要求1至4中任一项所述的钪锆氧化物复合体，其特征在于，所述钪锆氧化物复合体的微观形貌呈球形或类球形，所述钪锆氧化物复合体的一次粒径为10～180nm，优选为50～120nm。6.根据权利要求1至4中任一项所述的钪锆氧化物复合体，其特征在于，所述钪锆氧化物复合体的体积平均粒径D(4，3)为0.3～1.0μm，表面积平均粒径D(3，2)为0.2～0.8μm，中值粒径D50在0.1～0.8μm之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐宏，张赫，薛倩楠，王磊，张建星，冯宗玉，龙志奇，黄小卫，王春梅，
申请(专利权)人：有研稀土新材料股份有限公司，北京有色金属研究总院，
类型：发明
国别省市：北京;11