一种固体氧化物燃料电池复合电解质及其制备方法技术

本发明专利技术属于固体氧化物燃料电池领域，尤其涉及一种固体氧化物燃料电池复合电解质，该复合电解质为SDC‑LNCO复合电解质，其化学式为Ce0.8Sm0.2O1.9‑LiNaCO3；所述SDC‑LNCO复合电解质为SDC为内核，LNCO包覆在SDC表面，所述SDC内核为立方形结构。本发明专利技术通过两步水热法合成得到具有规则立方形貌的SDC纳米晶，通过体系中加入硝酸盐能控制SDC颗粒由棒状形貌生长为规则的立方形貌。此立方形貌的SDC纳米粉体与碳酸盐复合得到的复合电解质具有高的电导率，且复合电解质的烧结温度低，制备工艺简单，易于工业化生产。适用于中低温固体氧化物燃料电池及其相关高性能电化学器件。

A Composite Electrolyte for Solid Oxide Fuel Cell and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种固体氧化物燃料电池复合电解质及其制备方法
本专利技术属于固体氧化物燃料电池领域，涉及一种固体氧化物燃料电池复合电解质及其制备方法。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCells,SOFCs)的中低温化对其电极和电解质材料提出了新的要求。中低温SOFCs发展的关键是寻找在中低温范围内结构稳定和有效离子电导率高的电解质材料，为此研究者们开展了大量的研究工作，并将目光集中在了掺杂CeO2、掺杂Bi2O3、磷灰石型及钙钛矿型等材料上来。这些氧化物的氧离子电导率在中低温范围内(400～800℃)可达到10-3～10-1S/cm，已被成功应用为中低温SOFCs的电解质材料。
技术实现思路
本专利技术目的在于，提供一种新的固体氧化物燃料电池复合电解质，是的其具有较好的中低温性能。本专利技术中SDC为钐掺杂的氧化铈，LNCO为碳酸钠、碳酸锂的混合物。本专利技术通过以下方案实现：一种固体氧化物燃料电池复合电解质，该复合电解质为SDC-LNCO复合电解质，其化学式为Ce0.8Sm0.2O1.9-LiNaCO3；所述SDC-LNCO复合电解质为SDC为内核，LNCO包覆在SDC表面，所述SDC内核为立方形结构。具体地，所述LNCO为非晶相，LNCO包覆于晶相SDC的外表面，LNCO形成连续相。本专利技术还包括第二种技术方案，一种固体氧化物燃料电池复合电解质的制备方法，包括：步骤一、以铈盐、钐盐和NaCl为原料，形成混合水溶液，并于混合水溶液中加入NaOH溶液，搅拌，水热反应，形成产物a；步骤二、将步骤一形成的产物a加入NaNO3，水热反应，形成SDC产物；步骤三、将步骤二形成的SDC产物分散于乙醇中，达到SDC纳米晶的悬浮液；步骤四、将LNCO球磨形成一定时间后，加入步骤三的SDC纳米晶悬浮液，继续球磨，形成SDC纳米晶与LNCO粉体的混合物；步骤五、将步骤四的SDC纳米晶与LNCO粉体的混合物烘干，压片，煅烧，形成SDC/LNCO复合电解质。作为优选，所述步骤一中铈盐为CeCl3·7H2O，钐盐为SmCl3·6H2O，铈盐和钐盐摩尔比为4:1，所述NaCl与所述CeCl3·7H2O的摩尔比为(6.7-50):1；步骤一中混合溶液的SmCl3·6H2O的浓度为(2-30)mmol/L。更为优选地，所述步骤一中NaOH溶液的浓度为12mol·L-1，NaOH溶液的滴加速度为30s～150s/ml，水热反应的温度为150～240℃，反应时间为12～48h。优选地，所述步骤二中NaNO3的与金属Ce和Sm离子的摩尔比为1:3-3:1；步骤二的水热反应温度为150～240℃，反应时间为24～48h。更为优选地，所述步骤四中LNCO球磨为在转速为200～400rpm的球磨机中球磨12～36h；所述步骤四中加入步骤三的SDC纳米晶悬浮液后，继续球磨20～60min。优选地，所述步骤四中SDC与LNCO的体积比为1:4～6:4。进一步地，所述步骤五中烘干温度为80℃，烘干时间为2～6h。优选地，所述步骤五中煅烧温度为500～650℃，煅烧时间为2～8h。有益效果：本专利技术通过两步水热法合成得到具有规则立方形貌的SDC纳米晶，通过体系中加入硝酸盐能控制SDC颗粒由棒状形貌生长为规则的立方形貌。此立方形貌的SDC纳米粉体与碳酸盐复合得到的复合电解质具有高的电导率，在650℃时，质子、氧离子电导率分别达到23mS/cm和21mS/cm，高于采用传统方法制备的球形SDC-碳酸盐复合电解质的电导率，且复合电解质的烧结温度低，制备工艺简单，易于工业化生产，适用于中低温固体氧化物燃料电池及其相关高性能电化学器件。附图说明图1是本专利技术实施例1的SDC的SEM图；图2是本专利技术实施例1的SDC/LNCO复合电解质产品的XRD图谱；图3是本专利技术实施例1的SDC/LNCO复合电解质断面FESEM图谱；图4是本专利技术实施例1的SDC/LNCO复合电解质在400～650℃范围内不同气氛下，直流法测定样品电导率随温度变化关系图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明，但不限定本专利技术。实施例1：一种固体氧化物燃料电池复合电解质制备方法包括：(1)称取0.2mmol的CeCl3·7H2O与0.05mmol的SmCl3·6H2O和5mmol的NaCl，将它们依次加入8mL去离子水中，磁力搅拌至固体完全溶解，得到无色透明溶液。在磁子搅拌下，加入5mL浓度为12mol·L-1的NaOH溶液，NaOH溶液的滴加速度为60s/ml，然后以500r/min的搅拌速度搅拌1.5h，得到均一的淡紫色的悬浮液。将上述悬浮液转移到50mL反应釜中，150℃下保温48h。(2)反应釜冷却后，用玻璃棒将反应釜底部沉淀物搅起，超声10次，超声功率为200w，向体系中加入0.25mmol的NaNO3，尔后继续转移到50mL反应釜中水热反应，180℃下保温36h。反应结束后将反应釜底部的沉积物在10000rpm×8min离心洗涤得到SDC纳米晶。(3)将步骤(2)得到的SDC纳米晶转移至烧杯中，用200mL去离子水清洗3次，以洗去体系中的可溶性无机盐；之后，再用50mL乙醇清洗三次，从而利用乙醇置换出体系中的去离子水，最后直接将SDC纳米晶分散保存于50mL乙醇中得到SDC纳米晶的悬浮液。图1为得到的SDC纳米晶的SEM照片，从照片上看，产物由大量尺寸均一、分散性好的颗粒状纳米晶组成，可以看出样品中的颗粒具有规则的立方形貌，纳米晶的平均尺寸为40nm。(4)按照球料比2:1将锆球和LNCO置于50mL球磨罐中，并加入30mL无水乙醇作为介质，在转速为200rpm的球磨机中球磨24h。其中LNCO粉体中Li2CO3与Na2CO3的化学计量比为52:48。(5)将步骤(3)中的SDC纳米晶悬浮液与步骤(4)中球磨后的LNCO粉体混合均匀后转移至50mL球磨罐在转速200rpm的条件下球磨60min，使SDC纳米晶与LNCO粉体混合均匀。其中SDC纳米晶与LNCO粉体的体积比为1:2。球磨结束后，转移出球磨罐中的混合浆料，并置于80℃烘箱内烘干3h，使得混合浆料中无水乙醇挥发干净。将烘干后的粉体在200MPa压力下压制成大小为Φ12mm×1mm的圆片，最后在650℃烧结2h得到产品为SDC/LNCO复合电解质。图2为得到的产品的XRD图谱，产品的衍射峰与萤石结构的CeO2(JCPDS34-0394)均一致，可以认为是SDC相的衍射峰，没有碳酸盐相衍射峰的存在，这说明复合电解质中的LNCO以非晶态存在。在复合电解质中，碳酸盐不会结晶。除了SDC衍射峰，没有发现其他衍射峰，表明SDC与LNCO之间不会发生化学反应生成新的物相，并且碱金属元素不会进入SDC晶格。图3为复合电解质断面FESEM图谱，可以看出，复合电解质烧结体断面上无明显的气孔存在，较为致密，SDC与非晶碳酸盐相互之间均匀分布，较暗的地方为非晶碳酸盐，较亮的地方为SDC的断面，非晶相碳酸盐均匀地包覆在SDC纳米晶表面，并填充在SDC晶粒构成的孔洞和孔隙处，形成连续相，并且SDC颗粒较好地保持了立方形貌特征。图4为复合电解质在400～650℃范围内不同气氛下，直流法测定样品电导率随温度变化关系图。对Arrhenius曲线进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固体氧化物燃料电池复合电解质，其特征在于，该复合电解质为SDC‑LNCO复合电解质，其化学式为Ce0.8Sm0.2O1.9‑LiNaCO3；所述SDC‑LNCO复合电解质为SDC为内核，LNCO包覆在SDC表面，所述SDC内核为立方形结构。

【技术特征摘要】
1.一种固体氧化物燃料电池复合电解质，其特征在于，该复合电解质为SDC-LNCO复合电解质，其化学式为Ce0.8Sm0.2O1.9-LiNaCO3；所述SDC-LNCO复合电解质为SDC为内核，LNCO包覆在SDC表面，所述SDC内核为立方形结构。2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池复合电解质，其特征在于，所述LNCO为非晶相，LNCO包覆于晶相SDC的外表面，LNCO形成连续相。3.一种权利要求1或2所述的固体氧化物燃料电池复合电解质的制备方法，其特征在于，包括：步骤一、以铈盐、钐盐和NaCl为原料，形成混合水溶液，并于混合水溶液中加入NaOH溶液，搅拌，水热反应，形成产物a；步骤二、将步骤一形成的产物a加入NaNO3，水热反应，形成SDC产物；步骤三、将步骤二形成的SDC产物分散于乙醇中，达到SDC纳米晶的悬浮液；步骤四、将LNCO球磨形成一定时间后，加入步骤三的SDC纳米晶悬浮液，继续球磨，形成SDC纳米晶与LNCO粉体的混合物；步骤五、将步骤四的SDC纳米晶与LNCO粉体的混合物烘干，压片，煅烧，形成SDC/LNCO复合电解质。4.根据权利要求3所述的固体氧化物燃料电池复合电解质的制备方法，其特征在于，所述步骤一中铈盐为CeCl3·7H2O，钐盐为SmCl3·6H2O，铈盐和钐盐摩尔比为4:1，所述NaCl与所述CeCl3·7H2O的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓伟，蔡铜祥，黄兵，
申请(专利权)人：盐城市新能源化学储能与动力电源研究中心，
类型：发明
国别省市：江苏,32