固态燃料电池及其制备方法技术

本申请涉及燃料电池领域，提供一种固态燃料电池及其制备方法，固态燃料电池包括阳极层、阴极层以及设置于所述阳极层和所述阴极层之间的电解质层，其特征在于，所述阳极层的材料包括钛酸锶及锂掺杂钛酸锶，所述阴极层的材料包括钙钛矿型氧化物，所述电解质层的材料包括固态锂离子导体材料及电解质材料；所述阳极层中的钛酸锶中的Ti为+3价；且所述阳极层、所述阴极层具有多孔结构。本申请提供的固态燃料电池及其制备方法，有利于保持阳极多孔结构的稳定性，提高电池的功率密度，提高制备效率，降低制备成本。

【技术实现步骤摘要】
固态燃料电池及其制备方法
本申请涉及燃料电池
，具体地讲，涉及固态燃料电池及其制备方法。
技术介绍
现有的固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell，SOFC)由于不经历燃烧过程可以直接将化学能转化为电能，具有更高的能量转化效率而受到人们的关注。研究表明SrTiO3材料能够提供大量的氧离子空位，使得阳极具有离子/电子混合电导性，能够将SOFC的反应界面由原来的气体/电极/电解质三相界面扩展到整个气体/电极两相界面，增加电极反应活性，降低极化损耗。SrTiO3材料不仅仅对碳氢燃料有良好的电化学催化性能，还能够抗硫中毒。因此掺杂SrTiO3材料被认为是当前最有潜力的SOFC阳极材料。Ti3+是影响SrTiO3阳极材料电性能的基本因素。但是，在SOFC电池制备过程中，Ti4+离子要被还原成Ti3+离子，往往需要还原性气氛下多次分步高温烧结，反应条件苛刻，过程繁琐且电池制作周期长。并且多次烧结过程中，会对阳极的多孔结构造成破坏，难以保持阳极结构稳定性。
技术实现思路
鉴于此，本申请提供一种固态燃料电池及其制备方法，有利于保持阳极多孔结构的稳定性，提高电池的功率密度，提高制备效率，降低制备成本。第一方面，本申请实施例提供一种固态燃料电池，包括阳极层、阴极层以及设置于所述阳极层和所述阴极层之间的电解质层，所述阳极层的材料包括钛酸锶和锂掺杂钛酸锶，所述阴极层的材料包括钙钛矿型氧化物，所述电解质层的材料包括固态锂离子导体材料及电解质材料；所述阳极层中的钛酸锶中的Ti为+3价；且所述阳极层、所述阴极层具有多孔结构。在上述方案中，所述阳极层的钛酸锶中掺杂锂离子，掺杂的锂离子可以将钛酸锶的晶格撑大，增加反应活性点位，从而提高阳极材料对含碳燃料的催化活性。并且阳极层、阴极层均具有多孔结构，有利于阴阳极气体在电池内发生充分的电化学反应，提高电池效率。在一种可行的实施方式中，所述固态燃料电池具有如下特征a～g中的至少一种：a.所述钙钛矿型氧化物包括La1-xSrxMnO3和Ln1-xSrxCoO3中的至少一种，其中，0<x<1，Ln选自La、Pr、Nd、Sm和Gd中的任意一种；b.所述钙钛矿型氧化物为La0.5Sr0.5MnO3；c.所述阳极层的厚度为8mm～15mm；d.所述阳极层的孔隙率为20％～45％；e.所述阴极层的厚度为1mm～5mm；f.所述阴极层的孔隙率为10％～20％；g.所述锂掺杂钛酸锶在所述阳极层中的质量占比为10％～20％。在一种可行的实施方式中，所述固态燃料电池具有如下特征a～d中的至少一种：a.所述电解质材料包括钇稳定氧化锆，所述固态锂离子导体材料中的锂元素与钇稳定氧化锆中的锆元素的摩尔比为(0.1～1)：1；b.所述固态锂离子导体材料包括Li1+2xMxZr2-x(PO4)3、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3、Li7La3Zr2O12和LiPON中的至少一种，其中，M元素包括Mg、Ca、Sr、Y和Al中的至少一种，0≤x≤0.35；c.所述电解质材料包括钇稳定氧化锆，所述钇稳定氧化锆为8mol％钇稳定氧化锆；d.所述电解质层的厚度为1μm～10μm。第二方面，本申请实施例提供一种固态燃料电池的制备方法，所述方法包括以下步骤：将SrCO3粉末与TiO2粉末混合并加入粘合剂，压制成型得到阳极层；将含有固态锂离子导体材料与电解质材料的第一浆料涂覆于所述阳极层的一侧，以在所述阳极层表面形成电解质层；将含有锂离子化合物与钙钛矿型氧化物的第二浆料涂覆于所述电解质层远离所述阳极层的一侧，以在所述电解质层表面形成阴极层，得到生坯；将所述生坯进行烘干并烧结，得到电池前驱体；将所述阳极层接电源的负极，将所述阴极层接电源的正极，使得所述锂离子化合物发生电解，将所述阳极层中的Ti4+还原为Ti3+，并将所述阳极层中形成的钛酸锶进行锂掺杂，得到固态燃料电池，所述固态燃料电池的阳极层、阴极层具有多孔结构。采用电化学方法使得所述锂离子化合物发生电化学分解，电解形成的锂离子可以沿着电解质层中的固态锂离子导体材料传导至阳极层，从而实现对钛酸锶的锂掺杂，在锂掺杂过程中，可以将钛酸锶的晶格撑大，增加反应活性点位，从而提高阳极材料对含碳燃料的催化活性。电子从阴极层流出并沿导线传导至阳极层处，利用锂离子化合物的电解完成对Ti4+的还原，避免了阳极层材料制备过程中需要还原气氛且多次高温烧结的制备要求。采用一步共烧法完成整个电池的制备过程，避免多次烧结对阳极层的多孔结构造成破坏，有利于维持阳极层多孔结构的稳定性，提高电池能量密度，提高电池制备效率，降低制备成本。在一种可行的实施方式中，所述方法具有如下特征a～e中的至少一种：a.所述电解质材料包括钇稳定氧化锆，所述固态锂离子导体材料中的锂元素与所述钇稳定氧化锆中的锆元素的摩尔比范围为(0.1～1)：1；b.所述电解质材料包括钇稳定氧化锆，所述钇稳定氧化锆为8mol％钇稳定氧化锆；c.所述固态锂离子导体材料包括Li1+2xMxZr2-x(PO4)3、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3、Li7La3Zr2O12和LiPON中的至少一种，其中，M包括Mg、Ca、Sr、Y和Al中的任意一种，0≤x≤0.35；d.所述固态锂离子导体材料为Li1+2xMxZr2-x(PO4)3，0≤x≤0.35；e.所述第一浆料中的有机溶剂的添加量为：所述固态锂离子导体材料与所述电解质材料的混合粉末的总质量的3～8倍。在一种可行的实施方式中，所述方法具有如下特征a～g中的至少一种：a.所述钙钛矿型氧化物包括La1-xSrxMnO3和Ln1-xSrxCoO3中的至少一种，其中，0<x<1，Ln选自La、Pr、Nd、Sm和Gd中的任意一种；b.所述钙钛矿型氧化物包括La1-xSrxMnO3和Ln1-xSrxCoO3中的至少一种，其中，0<x<1，Ln选自La、Pr、Nd、Sm和Gd中的任意一种，所述锂离子化合物中的锂元素与所述钙钛矿型氧化物中的Mn元素或Co元素的摩尔比为(0.05～0.35)：1；c.所述锂离子化合物包括碳酸锂、氢氧化锂、氧化锂、草酸锂、醋酸锂和碳酸氢锂中的至少一种；d.所述钙钛矿型氧化物为La0.5Sr0.5MnO3；e.所述第二浆料中的有机溶剂的添加量为：所述锂离子化合物与所述钙钛矿型氧化物的混合粉末的总质量的3～8倍；f.所述有机溶剂包括质量占比为76％～90％的无水乙醇、质量占比为8％～20％的松油醇及质量占比为2％～4％的增稠剂；g.所述增稠剂包括甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素及羧甲基纤维素钠中的至少一种。在一种可行的实施方式中，所述方法具有如下特征a～e中的至少一种：a.所述SrCO3中的Sr元素与所述TiO2中的Ti元素的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固态燃料电池，包括阳极层、阴极层以及设置于所述阳极层和所述阴极层之间的电解质层，其特征在于，所述阳极层的材料包括钛酸锶及锂掺杂钛酸锶，所述阴极层的材料包括钙钛矿型氧化物，所述电解质层的材料包括固态锂离子导体材料及电解质材料；/n所述阳极层中的钛酸锶中的Ti为+3价；且所述阳极层、所述阴极层具有多孔结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种固态燃料电池，包括阳极层、阴极层以及设置于所述阳极层和所述阴极层之间的电解质层，其特征在于，所述阳极层的材料包括钛酸锶及锂掺杂钛酸锶，所述阴极层的材料包括钙钛矿型氧化物，所述电解质层的材料包括固态锂离子导体材料及电解质材料；
所述阳极层中的钛酸锶中的Ti为+3价；且所述阳极层、所述阴极层具有多孔结构。


2.根据权利要求1所述的固态燃料电池，其特征在于，所述固态燃料电池具有如下特征a～g中的至少一种：
a.所述钙钛矿型氧化物包括La1-xSrxMnO3和Ln1-xSrxCoO3中的至少一种，其中，0<x<1，Ln选自La、Pr、Nd、Sm和Gd中的任意一种；
b.所述钙钛矿型氧化物为La0.5Sr0.5MnO3；
c.所述阳极层的厚度为8mm～15mm；
d.所述阳极层的孔隙率为20％～45％；
e.所述阴极层的厚度为1mm～5mm；
f.所述阴极层的孔隙率为10％～20％；
g.所述锂掺杂钛酸锶在所述阳极层中的质量占比为10％～20％。


3.根据权利要求1或2所述的固态燃料电池，其特征在于，所述固态燃料电池具有如下特征a～d中的至少一种：
a.所述电解质材料包括钇稳定氧化锆，所述固态锂离子导体材料中的锂元素与钇稳定氧化锆中的锆元素的摩尔比为(0.1～1)：1；
b.所述固态锂离子导体材料包括Li1+2xMxZr2-x(PO4)3、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3、Li7La3Zr2O12和LiPON中的至少一种，其中，M元素包括Mg、Ca、Sr、Y和Al中的至少一种，0≤x≤0.35；
c.所述电解质材料包括钇稳定氧化锆，所述钇稳定氧化锆为8mol％钇稳定氧化锆；
d.所述电解质层的厚度为1μm～10μm。


4.一种固态燃料电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将SrCO3粉末与TiO2粉末混合并加入粘合剂，压制成型得到阳极层；
将含有固态锂离子导体材料与电解质材料的第一浆料涂覆于所述阳极层的一侧，以在所述阳极层表面形成电解质层；将含有锂离子化合物与钙钛矿型氧化物的第二浆料涂覆于所述电解质层远离所述阳极层的一侧，以在所述电解质层表面形成阴极层，得到生坯；
将所述生坯进行烘干并烧结，得到电池前驱体；
将所述阳极层接电源的负极，将所述阴极层接电源的正极，使得所述锂离子化合物发生电解，将所述阳极层中的Ti4+还原为Ti3+，并将所述阳极层中形成的钛酸锶进行锂掺杂，得到固态燃料电池，所述固态燃料电池的阳极层、阴极层具有多孔结构。


5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述方法具有如下特征a～e中的至少一种：
a.所述电解质材料包括钇稳定氧化锆，所述固态锂离子导体材料中的锂元素与所述钇稳定氧化锆中的锆元素的摩尔比范围为(0.1～1)：1；
b.所述电解质材料包括钇稳定氧化锆，所述钇稳定氧化锆为8mol％钇稳定氧化锆；
c.所述固态锂离子导体材料包括Li1+2xMxZr2-x(PO4)3、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3、Li7La3Zr2O12和LiPON中的至少一种，其中，M包括Mg、Ca、Sr、Y和Al中的任意一种，0≤x≤0.35；
d.所述固态锂离子导体材料为Li1+2xMxZr2-x(PO4)3，0≤x≤0.35；
e.所述第一浆料中的有机溶剂的添加量为：所述固态锂离子导体材料与所述电解质材料的混合粉末的总质量的3～8倍。


6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述方法具有如下特征a～g中的至少一种：
a.所述钙钛矿型氧化物包括La1-xSrxMnO3和Ln1-xSrxCoO3中的至少一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：马朝晖，卜瑶，付文浩，王英杰，张莹莹，李子坤，任建国，
申请(专利权)人：贝特瑞新材料集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44