一种自支撑型陶瓷隔膜及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种自支撑型陶瓷隔膜及其制备方法与应用。本发明专利技术通过将陶瓷粉体、分散剂以及溶剂球磨得到浆料1，往浆料1中加入粘结剂及增塑剂球磨得到浆料2；将浆料2通过流延机器制得陶瓷膜生坯，将生坯通过激光切割后分别得到陶瓷隔膜层生坯和辅助支撑层生坯，再通过激光将辅助支撑层生坯本体雕刻为蜂窝或网格状的框架结构；再将辅助支撑层生坯分别粘接在陶瓷隔膜层生坯两侧，平置且在重力作用下，辅助支撑层生坯、陶瓷隔膜层生坯充分溶合成为整体结构，将该整体结构在1000～1700℃高温下烧结，得到自支撑型陶瓷隔膜。该自支撑型陶瓷隔膜制备的电池，在有效保证机械力学强度的前提下，电解质功能层厚度降低到100μm以下，欧姆电阻降低47％，输出性能提高60％。

【技术实现步骤摘要】
一种自支撑型陶瓷隔膜及其制备方法与应用
本专利技术属于陶瓷隔膜
，尤其涉及一种自支撑型陶瓷隔膜及其制备方法与应用。
技术介绍
致密陶瓷隔膜有着广泛的用途，如固体氧化物燃料电池、固体氧化物电解池、全固态锂离子动力电池等。以固体氧化物燃料电池为例，其利用电化学反应将燃料的化学能转换为电能，基本功能性组成单元通常包括致密电解质组件和多孔的阳极与阴极。从电池单体的力学承载组件来看，可以分为电解质支撑型、电极支撑型以及其它支撑体支撑型。从外形来看，可以分为管式、平板式、瓦楞式结构等。电解质支撑平板式构型相对而言是一种比较简单的构型，通常先采用流延法等制得电解质支撑体层，再在支撑体上分别采用喷涂、丝网印刷等方法制得阳极和阴极，电流流程短、分布均匀，而且工艺简单可控、造价成本低。相比于电极支撑型固体氧化物燃料电池，由于电解质支撑型电池氧化还原循环稳定性好，在目前的商业产品中仍然占据很重要的市场。然而，电解层厚度一般需要达到200μm左右才能保证单体电池的力学强度，过厚的电解质层使得电池整体的欧姆电阻比较高，难以达到一个较大的功率密度输出。因此，如何在保证机械力学强度前提下降低致密陶瓷膜的厚度成为提高陶瓷膜组件性能的关键因素。
技术实现思路
本专利技术的首要目的在于提供一种层间结合紧密、结构稳定、具有优异的力学性能的自支撑型陶瓷隔膜；本专利技术的再一目的在于提供上述自支撑型陶瓷隔膜的制备方法，解决了现有技术中存在的问题，成功地在保证整体力学强度的前提下大幅度降低了陶瓷隔膜的厚度；r>本专利技术的又一目的在于提供上述自支撑型陶瓷隔膜在制备包括固体氧化物燃料电池、固体氧化物电解池、全固态锂离子动力电池等类型电池中的应用。本专利技术是这样实现的，一种自支撑型陶瓷隔膜的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)将40～45质量份陶瓷粉体、1～2质量份分散剂以及45～50质量份溶剂球磨20～24h得到浆料1，往浆料1中加入3～6质量份粘结剂及2～5质量份增塑剂球磨20～24h得到浆料2；将浆料2通过流延机器制得陶瓷膜生坯，将生坯通过激光切割后分别得到陶瓷隔膜层生坯和辅助支撑层生坯，再通过激光将辅助支撑层生坯本体雕刻为蜂窝或网格状的框架结构；(2)将辅助支撑层生坯分别粘接在陶瓷隔膜层生坯两侧，平置且在重力作用下，辅助支撑层生坯、陶瓷隔膜层生坯充分溶合成为整体结构，将该整体结构在1000～1700℃高温下烧结1～24h，得到自支撑型陶瓷隔膜。优选地，在步骤(1)中，所述陶瓷粉体包括钇稳定氧化锆、锂镧锆氧；所述分散剂包括蓖麻油、鱼油；所述溶剂包括乙醇、二甲苯；所述粘结剂包括聚乙烯醇缩丁醛；所述增塑剂包括邻苯二甲酸丁二醇酯、聚亚烷基二醇。优选地，在步骤(1)中，所述球磨的速度为200rpm。优选地，在步骤(1)中，所述陶瓷隔膜层生坯和辅助支撑层生坯的厚度分别为110～140μm。优选地，在步骤(2)中，所述平置时间为1～24h。本专利技术进一步公开了由上述制备方法得到的自支撑型陶瓷隔膜。本专利技术进一步公开了上述自支撑型陶瓷隔膜在制备电池中的应用。优选地，所述电池包括固体氧化物燃料电池、固体氧化物电解池、全固态锂离子动力电池。本专利技术克服现有技术的不足，提供一种自支撑型陶瓷隔膜及其制备方法与应用。本专利技术通过将40～45质量份陶瓷粉体、1～2质量份分散剂以及45～50质量份溶剂球磨20～24h得到浆料1，往浆料1中加入3～6质量份粘结剂及2～5质量份增塑剂球磨20～24h得到浆料2，将浆料2通过流延法(流延机器)制得陶瓷膜生坯，改变流延刮刀高度制得110～140μm陶瓷膜生坯，再通过激光切割得到网格状或蜂窝状辅助支撑层生坯(如示意图1所示)及陶瓷隔膜层生坯(如示意图2所示)，再将陶瓷隔膜层生坯和辅助支撑层生坯粘接，经过适当时间待两者充分溶合成整体，再高温共烧结得到自支撑型陶瓷隔膜(如示意图3所示)。在本专利技术中，为制得流动性能良好的的流延浆料，本专利技术根据陶瓷粉体的特点(组成、粒径等)合理调整陶瓷粉体、乙醇(溶剂)、蓖麻油(分散剂)、聚乙烯醇缩丁醛(粘结剂)及邻苯二甲酸丁二醇酯(增塑剂)的比例。陶瓷生坯经高温烧结成制品，尺寸一般缩小0～40％，在结合烧结收缩性能的基础上，需要根据目标制品的尺寸转换计算得到生坯的尺寸，进而调节流延刮刀的高度得到所需厚度的陶瓷生坯膜；辅助支撑层的结构(蜂窝状或网格状)以及镂空比影响着自支撑型陶瓷隔膜的力学强度(越强越好)及实际有效厚度(越薄越好)，因此，需要综合平衡力学性能与有效厚度等多方面因素设计辅助支撑层。本专利技术自支撑型陶瓷隔膜可作为电解质膜层应用于固体氧化物燃料电池、固体氧化物电解池、全固态锂离子动力电池等的制备。相比于现有技术的缺点和不足，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术自支撑型陶瓷隔膜的层间结合紧密，结构稳定，具有优异的力学性能，其所具备的结构特点能保证整体力学强度的前提下大幅度降低了陶瓷隔膜的厚度，有效提高了制品的工作性能，能有效代替传统的厚膜型陶瓷隔膜；(2)本专利技术自支撑型陶瓷隔膜的制备工艺成熟，生产成本低，便于规模化生产；采用激光切割制备辅助支撑层，可调性强、效率高；此外，陶瓷隔膜层和辅助支撑层通过粘接的方式溶合成整体，可以方便调控各层的材料、结构、厚度等；(3)本专利技术基于钇稳定的氧化锆电解质材料、自支撑型陶瓷隔膜制备的自支撑固体氧化物燃料电池，在有效保证机械力学强度的前提下，将自支撑型陶瓷隔膜的电解质功能层的厚度降低到了100μm以下，相比同等厚度的厚膜电池在800℃时电池欧姆电阻降低了47％，电池的输出性能提高了60％。附图说明图1是本专利技术网格状自支撑型陶瓷电解质隔膜中辅助支撑层的结构示意图；图2是本专利技术自支撑型陶瓷电解质隔膜中陶瓷隔膜层的结构示意图；图3是本专利技术网格状自支撑型陶瓷电解质隔膜的结构示意图；图4是本专利技术自支撑型陶瓷电解质隔膜3中辅助支撑层与陶瓷隔膜层界面处的金相显微图；图5是本专利技术实施例3、实施例5制备自支撑型陶瓷电解质隔膜的实物图；其中，图5a为实施例3的自支撑型陶瓷电解质隔膜的实物图，图5b为实施例5的自支撑型陶瓷电解质隔膜的实物图；图6是本专利技术效果实施例1中陶瓷电解质隔膜3、陶瓷电解质隔膜6、陶瓷电解质隔膜7的的最大载荷对比图；图7是本专利技术效果实施例2中自支撑型电池、无辅助支撑厚膜电池的电流-电压-功率曲线对比图；图8是本专利技术效果实施例2中自支撑型电池、无辅助支撑厚膜电池在开路电压下的交流阻抗谱对比图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。实施例1(1)将45g钇稳定氧化锆粉体、1g蓖麻油以及50g酒精在200rpm下球磨24h得到浆料1，往浆料1中加入6g聚乙烯醇缩丁醛、5g邻苯二甲酸丁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自支撑型陶瓷隔膜的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n(1)将40～45质量份陶瓷粉体、1～2质量份分散剂以及45～50质量份溶剂球磨20～24h得到浆料1，往浆料1中加入3～6质量份粘结剂及2～5质量份增塑剂球磨20～24h得到浆料2；将浆料2通过流延机器制得陶瓷膜生坯，将生坯通过激光切割后分别得到陶瓷隔膜层生坯和辅助支撑层生坯，再通过激光将辅助支撑层生坯本体雕刻为蜂窝或网格状的框架结构；/n(2)将辅助支撑层生坯分别粘接在陶瓷隔膜层生坯两侧，平置且在重力作用下，辅助支撑层生坯、陶瓷隔膜层生坯充分溶合成为整体结构，将该整体结构在1000～1700℃高温下烧结1～24h，得到自支撑型陶瓷隔膜。/n

【技术特征摘要】
1.一种自支撑型陶瓷隔膜的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将40～45质量份陶瓷粉体、1～2质量份分散剂以及45～50质量份溶剂球磨20～24h得到浆料1，往浆料1中加入3～6质量份粘结剂及2～5质量份增塑剂球磨20～24h得到浆料2；将浆料2通过流延机器制得陶瓷膜生坯，将生坯通过激光切割后分别得到陶瓷隔膜层生坯和辅助支撑层生坯，再通过激光将辅助支撑层生坯本体雕刻为蜂窝或网格状的框架结构；
(2)将辅助支撑层生坯分别粘接在陶瓷隔膜层生坯两侧，平置且在重力作用下，辅助支撑层生坯、陶瓷隔膜层生坯充分溶合成为整体结构，将该整体结构在1000～1700℃高温下烧结1～24h，得到自支撑型陶瓷隔膜。


2.如权利要求1所述的自支撑型陶瓷隔膜的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述陶瓷粉体包括钇稳定氧化锆、锂镧锆氧；所述分散剂包括蓖麻油、鱼油；所述溶剂包括乙醇、...

【专利技术属性】
技术研发人员：余善成，陈乐易，吴晓波，闵康丽，龚丽英，武继文，赵志刚，陈国兵，叶珊珊，
申请(专利权)人：南京医科大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32