一种固体氧化物电池的制备方法以及由此得到的固体氧化物电池技术

本发明专利技术涉及一种固体氧化物电池的制备方法，其包括在分别制备氢电极层、电解质层、阻隔层和氧电极层后将其依次组装得到固体氧化物电池，该电解质层为无孔致密电解质薄膜，该无孔致密电解质薄膜的制备包括如下步骤：形成含孔致密电解质薄膜；将含孔致密电解质薄膜置于过渡金属盐溶液中进行原位热解纳米粒子处理，得到的纳米粒子沉积于含孔致密电解质薄膜的微孔结构中以制备无孔致密电解质薄膜。本发明专利技术还涉及一种根据上述制备方法得到的固体氧化物电池。根据本发明专利技术的固体氧化物电池的制备方法，可以得到无孔致密电解质薄膜，该致密性提高的电解质层稳定地隔绝了氢氧两侧电极气体，提高了电池器件的稳定性。提高了电池器件的稳定性。提高了电池器件的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种固体氧化物电池的制备方法以及由此得到的固体氧化物电池


[0001]本专利技术涉及电池器件，更具体地涉及一种固体氧化物电池的制备方法以及由此得到的固体氧化物电池。

技术介绍

[0002]高温固体氧化物电池器件具有双向功能化，一方面可以将燃料的化学能通过电化学反应直接转化为电能，表现为固体氧化物燃料电池，具有能量转化效率高、对环境污染小的特点；另一方面，可以利用废热、废电实现电解水制备高纯氢气，表现为固体氧化物电解池，体现为能耗低、制氢纯度高的特点。其中，由于无需使用贵金属催化剂或催化组分，并且可以兼容氢气与多种含碳气体和煤气化能源转化反应，固体氧化物电池被认为是具有极大应用前景的核心反应器件。
[0003]固体氧化物电池器件核心组分一般由氢电极层、氧电极层和阻隔层三层多孔薄膜，以及一层致密无孔的电解质层构成。电解质层由一定尺度的固体粒子经过高温烧结成膜，烧结温度过高容易导致多孔的氢电极支撑层和活性层孔隙率降低，影响电池器件性能。烧结温度适中，易存在少量针孔，引起部分漏电漏气和增加电池的欧姆阻抗，直接影响固体氧化物电池长期运行的稳定性和能量转化效率。因此，电解质薄膜致密无孔结构对固体氧化物电池的性能和稳定性至关重要。现有技术中，通常采用丝网印刷法制备高温固体氧化物电解质薄膜，这种制备方法存在一次烧结成膜致密性不够理想、存在少量的开孔和闭孔的问题。此外，由于高温固体氧化物燃料电池的核心组分主要为氧化物陶瓷材料，粒度较大均匀性差，在加工过程中易于产生界面和孔隙电阻，限制了电池的商业化发展。

技术实现思路
<br/>[0004]为了解决上述现有技术中的薄膜致密性不理想等问题，本专利技术提供一种固体氧化物电池的制备方法以及由此得到的固体氧化物电池。
[0005]根据本专利技术的固体氧化物电池的制备方法，其包括在分别制备氢电极层、电解质层、阻隔层和氧电极层后将其依次组装得到固体氧化物电池，该电解质层为无孔致密电解质薄膜，该无孔致密电解质薄膜的制备包括如下步骤：S1，形成含孔致密电解质薄膜；S2，将含孔致密电解质薄膜置于过渡金属盐溶液中进行原位热解纳米粒子处理，得到的纳米粒子沉积于含孔致密电解质薄膜的微孔中以制备无孔致密电解质薄膜。
[0006]优选地，含孔致密电解质薄膜是含体积比5
‑
10％的微孔的薄膜。
[0007]优选地，步骤S1包括：配制电解质浆料，采用丝网印刷法均匀沉积电解质浆料，排胶后烧结，得到含孔致密电解质薄膜。
[0008]优选地，过渡金属盐溶液的溶质为过渡金属的可溶性的氯化盐，硝酸盐和有机配合物中的至少一种，过渡金属盐溶液的溶剂为水，乙醇和丙醇中的至少一种。
[0009]优选地，过渡金属为Y，Ce，Zr和/或Ba。
[0010]优选地，过渡金属盐溶液为不同过渡金属盐的混合溶液。
[0011]优选地，过渡金属盐溶液为氯化钇，硝酸钇，异丙醇钇，氯化锆，硝酸锆，乙酸锆和正丁醇锆中的至少两种的混合水溶液。
[0012]优选地，纳米粒子为氧化物纳米粒子。更优选地，纳米粒子为纳米掺杂氧化物粒子。
[0013]优选地，步骤S2包括：将含孔致密电解质薄膜置于溶度为0.5
‑
5M的过渡金属盐溶液中，在60
‑
90℃下原位热解纳米粒子处理0.5
‑
24h。更优选地，过渡金属盐溶液的溶度为2
‑
4M，含孔致密电解质薄膜在70
‑
80℃下原位热解纳米粒子处理10
‑
12h。
[0014]根据本专利技术的上述制备方法得到的固体氧化物电池，其为固体氧化物燃料电池或固体氧化物燃料电解池。
[0015]根据本专利技术的固体氧化物电池的制备方法，可以得到无孔致密电解质薄膜，该致密性提高的电解质层稳定地隔绝了氢氧两侧电极气体，提高了电池器件的稳定性。此外，由于纳米粒子的沉积，原电解质层大粒子间的晶界可以通过沉积的纳米粒子更好地接触，改善固体粒子间的晶界接触面，从而降低电解质层的欧姆阻抗和极化阻抗，避免氢氧两电极侧气体混合的可能，提高固体氧化物电池的能量转化效率和稳定性。
附图说明
[0016]图1是根据本专利技术的对比例1的含孔致密电解质薄膜的表面扫描电镜图；
[0017]图2是根据本专利技术的实施例1的无孔致密电解质薄膜的表面扫描电镜图；
[0018]图3是根据本专利技术的实施例2的无孔致密电解质薄膜的表面扫描电镜图；
[0019]图4是根据本专利技术的实施例3的无孔致密电解质薄膜的表面扫描电镜图；
[0020]图5是组装有根据本专利技术的含孔和无孔致密电解质薄膜的固体氧化物电池的开路电压。
具体实施方式
[0021]下面结合附图，给出本专利技术的较佳实施例，并予以详细描述。
[0022]根据本专利技术的固体氧化物电池的制备方法，包括通过流延制备氢电极层。该氢电极层为多孔烧结薄膜，其包括位于下方的支撑层和位于上方的活性层，其中，支撑层由氧化镍和3wt％的氧化锆基电解质组成，活性层由氧化镍和8wt％的氧化锆基电解质组成。在优选的实施例中，氧化锆基电解质为氧化锆基氧化钇、氧化锆基氧化钪或氧化锆基氧化铈等氧离子导体的电解质材料，以及钡锆铈钇等质子传导的电解质材料。在一个优选的实施例中，氧化锆基电解质为YSZ(氧化钇稳定的氧化锆)。在优选的实施例中，该氢电极层的厚度为200～500μm。
[0023]根据本专利技术的固体氧化物电池的制备方法，包括通过丝网印刷形成含孔致密电解质薄膜，其中，该含孔致密电解质薄膜是含有少量微孔(又称针孔)的致密电解质薄层。在优选的实施例中，该含孔致密电解质薄膜是含体积比5
‑
10％的针孔的薄膜。具体地，配制电解质浆料(例如氧化锆基电解质浆料或铈基电解质浆料)，采用丝网印刷法均匀沉积电解质浆料，排胶后烧结，得到含孔致密电解质薄膜。在优选的实施例中，500
‑
700℃排胶1
‑
3h，例如600℃排胶2h。在优选的实施例中，1300
‑
1400℃烧结3
‑
5h，例如1350℃烧结4h。在一个优选
的实施例中，电解质层为8YSZ(氧化钇稳定的氧化锆)。在优选的实施例中，该含孔致密电解质薄膜的厚度为8
‑
15μm。
[0024]根据本专利技术的固体氧化物电池的制备方法，包括将含孔致密电解质薄膜置于过渡金属盐溶液中进行原位热解纳米粒子处理，得到的纳米粒子沉积于含孔致密电解质薄膜的微孔中以制备无孔致密电解质薄膜。在优选的实施例中，过渡金属盐溶液的溶质为过渡金属的可溶性的氯化盐，硝酸盐和有机配合物中的至少一种，过渡金属为Y，Ce，Zr和/或Ba，过渡金属盐溶液的溶剂为水，乙醇和丙醇中的至少一种，溶质与溶剂反应以原位生成相应的氧化物纳米粒子。优选地，过渡金属盐溶液为不同过渡金属盐的混合溶液，原位生成相应金属的混合氧化物纳米粒子，其在微纳米尺度上沉积于含孔致密电解质薄膜的微孔中，对电解质层进行二次微纳调控处本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固体氧化物电池的制备方法，其包括在分别制备氢电极层、电解质层、阻隔层和氧电极层后将其依次组装得到固体氧化物电池，其特征在于，该电解质层为无孔致密电解质薄膜，该无孔致密电解质薄膜的制备包括如下步骤：S1，形成含孔致密电解质薄膜；S2，将含孔致密电解质薄膜置于过渡金属盐溶液中进行原位热解纳米粒子处理，得到的纳米粒子沉积于含孔致密电解质薄膜的微孔中以制备无孔致密电解质薄膜。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，含孔致密电解质薄膜是含体积比5
‑
10％的微孔的薄膜。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1包括：配制电解质浆料，采用丝网印刷法均匀沉积电解质浆料，排胶后烧结，得到含孔致密电解质薄膜。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，过渡金属盐溶液的溶质为过渡金属的可溶性的氯化盐，硝酸盐和有机配合物中的至少一种，过渡金属盐溶液的溶剂为水，乙醇和丙醇中的至少一种。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建强，林逍，杨军鹏，孔芳弟，杨云，张林娟，解春雨，
申请(专利权)人：中国科学院上海应用物理研究所，
类型：发明
国别省市：