一种YSZ电解质浆料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种YSZ电解质浆料，包括YSZ粉体、粘结剂和分散剂，YSZ粉体包括纳米级YSZ粉体、亚微米级YSZ粉体和微米级YSZ粉体；纳米级YSZ粉体的粒径为D50＝0.05‑0.07μm，亚微米级YSZ粉体的粒径为D50＝0.1‑0.5μm，微米级YSZ粉体的粒径为D50＝1‑1.2μm。本发明专利技术采用以上粒径范围的纳米级、亚微米级和微米级YSZ粉体进行颗粒级配，在制备电解质膜层时大尺寸粉体抑制晶粒异常生长，抑制膜层的烧结收缩，减少缺陷；小尺寸粉体填充进孔隙中，高温下优先烧结并与大尺寸粉体接触发生物质传质，促进晶粒生长重排，进而促使电解质膜层致密化。本发明专利技术通过颗粒级配在减少电解质膜层缺陷保证致密性的前提下，使电解质膜层致密所需的烧结温度降低。另外，分散剂抑制粉体团聚，提高分散度，使浆料分散均匀。

YSZ electrolyte slurry and preparation method thereof

【技术实现步骤摘要】
一种YSZ电解质浆料及其制备方法
本专利技术涉及燃料电池用电解质领域，具体而言，涉及一种YSZ电解质浆料及其制备方法。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一类既能发电，又无噪声污染、高效清洁的能量转换装置。SOFC制备的关键技术之一是获得足够薄且不透气的致密无缺陷的电解质薄膜，氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)是最好的电解质立方结构的CSZ(掺杂8mol％Y2O3的ZrO2，即8YSZ)，表现出最大的离子电导率(在1000℃高达0.1s·cm-1)，具有在氧分压波动较大的范围内仍保持纯离子导体不变，在高温下物理化学性质保持稳定，高温下具有较高的机械强度和离子导电率等优点，氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)成为应用最为广泛的SOFC电解质材料。现阶段，制备SOFC电解质所使用的YSZ粉体以亚微米级为主，粉料越细，比表面积越大，配成浆料后易出现团聚颗粒；并且粉料越细，表面能越高，烧结过程中易出现晶粒的异常长大，为功能层带来缺陷；颗粒团聚后形成的团聚体和异常生长的大晶粒严重影响电解质层的致密性。另一方面，亚微米级的YSZ粉体成本高，增加电解质的制备成本。
技术实现思路
本专利技术提供了一种YSZ电解质浆料及其制备方法，解决了现有技术亚微米级YSZ粉体配成浆料时易团聚、烧结时晶粒异常长大产生缺陷、电解质层致密性差和成本高等问题。一方面，本专利技术提供了一种YSZ电解质浆料，包括YSZ粉体、粘结剂和分散剂，其中，所述YSZ粉体包括纳米级YSZ粉体、亚微米级YSZ粉体和微米级YSZ粉体；所述纳米级YSZ粉体的粒径为D50＝0.05-0.07μm，所述亚微米级YSZ粉体的粒径为D50＝0.1-0.5μm，所述微米级YSZ粉体的粒径为D50＝1-1.2μm。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术YSZ电解质浆料中的YSZ粉体按照D50＝0.05-0.07μm、D50＝0.1-0.5μm与D50＝1-1.2μm的比例进行纳米级、亚微米级和微米级的颗粒级配，在制备电解质膜层的烧结步骤时大尺寸粉体抑制晶粒的异常生长，而且大尺寸粉体可抑制膜层的烧结收缩，减少缺陷；从表面能的角度看，同等质量前提下，小颗粒表面积大，表面相原子占比较大，能量水平高于大颗粒，小颗粒粉体具有更高的烧结活性，更容易熔化，小尺寸的粉体填充进大尺寸粉体间的间隙中，附着吸附在大尺寸粉体上，粉体颗粒间接触面积增大，烧结过程中有利于颈部连接的生成，小尺寸粉体高温下优先烧结，小尺寸粉体与大尺寸粉体接触有助于促进物质传质与晶粒生长重排，进而促使电解质膜层烧结致密化。本专利技术YSZ电解质浆料中的YSZ粉体采用纳米级、亚微米级和微米级YSZ粉体进行颗粒级配，制备电解质膜层的烧结步骤时，在减少电解质膜层缺陷保证膜层致密性的前提下，使电解质膜层致密所需的烧结温度降低。与现有技术所使用的YSZ粉体以亚微米级为主相比，本专利技术的YSZ粉体还包括纳米级和微米级YSZ粉体，成本低，电解质膜层的制备成本低。另外，本专利技术YSZ电解质浆料中添加分散剂，可以抑制较细粉体发生团聚，也可以提高浆料分散程度，促使浆料分散均匀。在本专利技术的一些实施方式中，按重量份数计，所述YSZ电解质浆料包括75-108份YSZ粉体、61-88份粘结剂和0.7-2份分散剂。采用上述进一步技术方案的有益效果在于，本专利技术YSZ电解质浆料中YSZ粉体为75-108份、粘结剂为61-88份、分散剂为0.7-2份，在粘结剂和分散剂的作用下，纳米级、亚微米级和微米级YSZ粉体的分布更均匀，分散性更好，使烧结时膜层结构更均匀一致，致密性更好。在本专利技术的一些实施方式中，按重量份数计，所述YSZ粉体包括5-8份纳米级YSZ粉体、55-80份亚微米级YSZ粉体和15-20份微米级YSZ粉体。采用上述进一步技术方案的有益效果在于，本专利技术YSZ粉体中纳米级YSZ粉体为5-8份、亚微米级YSZ粉体为55-80份、微米级YSZ粉体为15-20份，混合后小尺寸的粉体能够充分填充进大尺寸粉体间的间隙中，烧结时优先熔化的小尺寸粉体与大尺寸粉体接触面积更大，发生物质传质，促进晶粒生长重排，进而使电解质层致密化效果更好。在本专利技术的一些实施方式中，所述亚微米级YSZ粉体包括粒径为D50＝0.1-0.2μm的亚微米级YSZ粉体和粒径为D50＝0.3-0.5μm的亚微米级YSZ粉体。采用上述进一步技术方案的有益效果在于，本专利技术对亚微米级YSZ粉体进一步进行划分，将亚微米级YSZ粉体分为D50＝0.1-0.2μm和D50＝0.3-0.5μm两种粒径范围，配合纳米级和微米级YSZ粉体，使浆料中各粒径范围的YSZ粉体混合后实现更好的相互填充，同时浆料中各种粒径范围的YSZ粉体混合更均匀，烧结时电解质膜层结构更均匀一致，致密性进一步得到优化。在本专利技术的一些实施方式中，按重量份数计，所述亚微米级YSZ粉体包括粒径为D50＝0.1-0.2μm的亚微米级YSZ粉体10-15份、粒径为D50＝0.3-0.5μm的亚微米级YSZ粉体45-65份。采用上述进一步技术方案的有益效果在于，本专利技术D50＝0.1-0.2μm的亚微米级YSZ粉体为10-15份、粒径为D50＝0.3-0.5μm的亚微米级YSZ粉体为45-65份，在对亚微米级YSZ粉体进行进一步的粒径划分后，对各粒径范围的亚微米级YSZ粉体的含量进行了进一步研究设计，在该含量下，浆料制备的电解质膜层缺陷更少，致密性更高。在本专利技术的一些实施方式中，按重量份数计，所述YSZ粉体包括7份粒径为D50＝0.06μm的纳米级YSZ粉体、12份粒径为D50＝0.15μm的亚微米级YSZ粉体、55份粒径为D50＝0.4μm的亚微米级YSZ粉体和18份粒径为D50＝1.1μm的微米级YSZ粉体。采用上述进一步技术方案的有益效果在于，本专利技术的YSZ粉体在上述配方含量下制备出的浆料在烧结制备电解质膜层时膜层的烧结收缩大幅度降低，缺陷更少；电解质膜层致密化程度更高，电解质膜层致密所需的烧结温度大大降低，大约可降低50-100℃。在本专利技术的一些实施方式中，所述分散剂为偶联剂，所述偶联剂为硅烷偶联剂和/或铝酸酯偶联剂，所述粘结剂为乙基纤维素和松油醇的混合液。采用上述进一步技术方案的有益效果在于，本专利技术所用的分散剂为偶联剂，偶联剂为硅烷偶联剂和/或铝酸酯偶联剂，可以抑制较细粉体发生团聚，也可以提高浆料分散程度，促使浆料分散均匀。另一方面，在研究试验中发现，偶联剂(硅烷偶联剂和/或铝酸酯偶联剂)的添加除了提高分散性外，与未加偶联剂时相比，还能够明显的提高电解质膜层致密性。另一方面，本专利技术还提供了上述任一项所述的YSZ电解质浆料的制备方法，包括如下步骤：将YSZ粉体球磨后分别得到粒径为D50＝0.1-0.5μm的亚微米级YSZ粉体和粒径为D50＝1-1.2μm的微米级YSZ粉体，通过溶胶凝胶法制备粒径为D50＝0.05-0.07μm的纳米级YSZ粉体；称取乙基纤维素和松油醇，搅拌溶解至混合液澄清，得到粘结剂；将纳米级YSZ粉体、亚微米级YSZ粉体和微米级YSZ粉体与粘本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种YSZ电解质浆料，其特征在于，包括YSZ粉体、粘结剂和分散剂，/n其中，所述YSZ粉体包括纳米级YSZ粉体、亚微米级YSZ粉体和微米级YSZ粉体；/n所述纳米级YSZ粉体的粒径为D50＝0.05-0.07μm，所述亚微米级YSZ粉体的粒径为D50＝0.1-0.5μm，所述微米级YSZ粉体的粒径为D50＝1-1.2μm。/n

【技术特征摘要】
1.一种YSZ电解质浆料，其特征在于，包括YSZ粉体、粘结剂和分散剂，
其中，所述YSZ粉体包括纳米级YSZ粉体、亚微米级YSZ粉体和微米级YSZ粉体；
所述纳米级YSZ粉体的粒径为D50＝0.05-0.07μm，所述亚微米级YSZ粉体的粒径为D50＝0.1-0.5μm，所述微米级YSZ粉体的粒径为D50＝1-1.2μm。


2.如权利要求1所述的YSZ电解质浆料，其特征在于，按重量份数计，所述YSZ电解质浆料包括75-108份YSZ粉体、61-88份粘结剂和0.7-2份分散剂。


3.如权利要求1或2所述的YSZ电解质浆料，其特征在于，按重量份数计，所述YSZ粉体包括5-8份纳米级YSZ粉体、55-80份亚微米级YSZ粉体和15-20份微米级YSZ粉体。


4.如权利要求3所述的YSZ电解质浆料，其特征在于，所述亚微米级YSZ粉体包括粒径为D50＝0.1-0.2μm的亚微米级YSZ粉体和粒径为D50＝0.3-0.5μm的亚微米级YSZ粉体。


5.如权利要求4所述的YSZ电解质浆料，其特征在于，按重量份数计，所述亚微米级YSZ粉体包括粒径为D50＝0.1-0.2μm的亚微米级YSZ粉体10-15份、粒径为D50＝0.3-0.5μm的亚微米级YSZ粉体45-65份。


6.如权利要求5所述的YSZ电解质浆料，其特征在于，按重量份数计，所述YSZ粉体包括7份粒径为D50＝0.06μm的纳米级Y...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵世凯，李洪达，李小勇，徐传伟，马腾飞，陈大明，张晓娇，
申请(专利权)人：山东工业陶瓷研究设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37