一种用于制备阻隔层的涂料、阻隔层的制备方法及阻隔层技术

本发明专利技术公开了一种用于制备阻隔层的涂料、阻隔层的制备方法及阻隔层。一种用于制备阻隔层的涂料包括硝酸盐、助燃剂、水溶液，所述硝酸盐包括硝酸钆和硝酸铈，所述硝酸钆与硝酸铈的摩尔比例为1:9；所述助燃剂的摩尔量为金属离子摩尔量的1.5

【技术实现步骤摘要】
一种用于制备阻隔层的涂料、阻隔层的制备方法及阻隔层


[0001]本专利技术属于固体氧化物燃料电池制造
，具体地说涉及一种用于制备阻隔层的涂料、阻隔层的制备方法及阻隔层。

技术介绍

[0002]随着世界向低碳经济发展，固体氧化物燃料电池(SOFC)作为清洁能源发电系统受到了各界广泛关注。在各种氧离子导电材料中，钇稳定的氧化锆(YSZ)电解质显示出良好的稳定性和高的开路电压，但是在烧结过程中电池的LSCF阴极会与YSZ电解质发生反应，形成绝缘层并增加电池的欧姆电阻。为了防止LSCF阴极和YSZ电解质发生反应，引入了额外的GDC阻隔层。但是，GDC阻隔层是CeO2基的电解质，CeO2基电解质在高烧结温度(>1300℃)下会与YSZ电解质层之间形成高度绝缘的Ce
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Zr固溶相，从而导致电池的电化学性能显著下降。此外，GDC阻隔层和YSZ电解质层的可烧结性和热膨胀系数的差异会导致两者出现分层现象，影响电池的长期稳定性能。
[0003]传统的固态陶瓷工艺是把GDC粉体直接添加进溶剂中，制得GDC浆料，再通过丝网印刷法或浆料涂覆法把浆料涂覆到电解质层上，制得GDC阻隔层，得到的GDC阻隔层厚度为2
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10μm，这种较厚的GDC阻隔层会加速分层现象的产生，而真空沉积工艺(如原子层沉积、溅射沉积等)虽然可以制备出比较薄的GDC阻隔层，但是工艺复杂，成本昂贵。
[0004]另外，现有技术中，有针对YSZ电解质与GDC阻隔层烧结后易出现脱落或分层的现象，制备一种依次包括阴极层、GDC阻隔层、电解质层、GDC阻隔层、阳极层的固体氧化物燃料电池，制备得到的电池电极与电解质不易脱落，显著提高了电池的开路电压。但是，仍然较高的烧结温度不能防止电解质和阻隔层之间发生反应并形成高度绝缘的固溶相，影响电池长期稳定性能。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术提供了一种用于制备阻隔层的涂料以及阻隔层的制备方法。
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种用于制备阻隔层的涂料，包括硝酸盐、助燃剂、水溶液，
[0007]所述硝酸盐占涂料的15wt％
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25wt％，所述硝酸盐包括硝酸钆和硝酸铈，所述硝酸钆与硝酸铈的摩尔比例为1:9，
[0008]所述助燃剂的摩尔量为总金属根离子摩尔量的1.5
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2倍。
[0009]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0010]1、本专利技术设计的涂料包括硝酸钆和硝酸铈，在预烧结时，硝酸钆和硝酸铈可以在助燃剂的作用下加速热分解得到均匀、细小以及比表面积大的GDC粉体，GDC粉体的直径为50
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80nm、比表面积为20
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30m2/g，在后续烧结过程中，该GDC粉体在较低温度下即可促进阻隔层预制体内部孔隙的去除以及晶粒长大，使阻隔层达到致密，从而降低烧结温度，避免阻
隔层和电解质层在高温下形成高度绝缘的固溶相；
[0011]2、本专利技术设计的涂料固含低，便于旋涂，有利于减少阻隔层的厚度，较薄的阻隔层可以通过降低与内应力相关的热膨胀系数，使得阻隔层和电解质层接触紧密，减轻或避免分层现象的产生。
[0012]优选的，所述助燃剂为柠檬酸或甘氨酸。
[0013]本优选方案的有益效果为：柠檬酸或甘氨酸作为燃料，可以使硝酸盐加速分解，促进反应进程；另一方面，柠檬酸有3个羧基和1个羟基，是一种很好的络合剂，可以对金属离子起络合作用，使金属离子在蒸发过程中不会以沉淀或硝酸盐的形式析出，从而使硝酸盐能够完全反应转变为GDC粉体。
[0014]优选的，还包括GDC纳米粉体和分散剂，
[0015]所述GDC纳米粉体占涂料的3wt％
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5wt％，
[0016]所述分散剂占GDC纳米粉体的20wt％
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30wt％。
[0017]本优选方案的有益效果为：GDC纳米粉体可在局部约束效应的帮助下有效地抑制宏观缺陷的产生和促进薄膜微结构的定向发展，有利于弥补阻隔层的孔隙，提高阻隔层的致密程度；分散剂能够促进GDC纳米粉体均匀分散，提高涂料的润湿性，有利于提高阻隔层的均匀程度并减少阻隔层的厚度。
[0018]优选的，还包括乙醇，所述乙醇占水溶液的10wt％
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30wt％。
[0019]本优选方案的有益效果为：乙醇与水溶液混合，有利于硝酸盐和GDC纳米粉体进一步分散，提高涂料的润湿性。
[0020]另一方面，本专利技术提供一种上述任意一项所述的阻隔层的制备方法，包括以下步骤：
[0021]将上述任意一项所述的涂料涂布到电解质片上进行预烧结，使硝酸盐分解得到GDC粉体，并得到阻隔层预制体；优选的，采用旋涂法将上述涂料涂布到电解质片上；
[0022]将烧结助剂涂布到阻隔层预制体上；优选的，采用浸渍的方式将烧结助剂涂布到阻隔层预制体上；
[0023]将阻隔层预制体进行烧结，得到阻隔层。
[0024]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0025]1、本专利技术在预烧结过程中，涂料中的硝酸盐在助燃剂的作用下可分解得到均匀、细小以及比表面积大的GDC粉体，该GDC粉体在后续烧结过程中，在较低温度下即可促进阻隔层预制体内部孔隙的去除以及晶粒长大，使阻隔层达到致密，从而降低烧结温度；烧结助剂可以与烧结物形成固溶体，使GDC粉体的晶格畸变而得到活化，增大扩散和烧结速度，提高阻隔层烧结致密化，从而降低烧结温度；GDC粉体和烧结助剂的共同作用可以更加有效地降低阻隔层的烧结温度，避免阻隔层和电解质层在高温下形成高度绝缘的固溶相。
[0026]2、本专利技术采用旋涂法将涂料涂布到电解质片上，在较高的离心加速度下，涂料会迅速的在电解质片上均匀铺展开，多余的涂料会被甩离电解质片，最终整个电解质片上会形成一层均匀的薄膜层，在后续的烧结过程中即可得到薄而致密的阻隔层。本专利技术采用的制备方法简单有效，且制备得到的阻隔层厚度为500
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800nm，相较于传统方法制得的较厚的阻隔层，有效减轻了分层现象的产生，提高了电池的电化学性能，延长了电池的使用寿命。
[0027]优选的，所述预烧结的温度为600
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800℃，升温速率为1
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2℃/min，保温时间为2h
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3h。
[0028]本优选方案的有益效果为：在预烧结过程中硝酸盐可分解得到均匀、细小以及比表面积大的GDC粉体，并得到阻隔层预制体。该GDC粉体在后续烧结过程可促进阻隔层预制体内部孔隙的去除以及晶粒长大，使阻隔层达到致密，从而降低烧结温度。
[0029]优选的，所述阻隔层预制体存在若干小孔，将烧结助剂涂布到阻隔层预制体上，使烧结助剂渗透到阻隔层预制体的内部；
[0030]所述烧结助剂为硝酸铝溶液，所述硝酸铝溶液的浓度为0.1
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0.3mol/L。
[0031]本优选方案的有益效果为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于制备阻隔层的涂料，其特征在于，包括硝酸盐、助燃剂、水溶液，所述硝酸盐包括硝酸钆和硝酸铈，所述硝酸钆与硝酸铈的摩尔比例为1:9，所述助燃剂的摩尔量为金属离子摩尔量的1.5
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2倍。2.根据权利要求1所述的一种用于制备阻隔层的涂料，其特征在于，所述硝酸盐占涂料的15wt％
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25wt％。3.根据权利要求1所述的一种用于制备阻隔层的涂料，其特征在于，所述助燃剂为柠檬酸或甘氨酸。4.根据权利要求1所述的一种用于制备阻隔层的涂料，其特征在于，还包括GDC纳米粉体和分散剂，所述GDC纳米粉体占涂料的3wt％
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5wt％，所述分散剂占GDC纳米粉体的20wt％
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30wt％。5.根据权利要求1所述的一种用于制备阻隔层的涂料，其特征在于，还包括乙醇，所述乙醇占水溶液的10wt％
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30wt％。6.一种权利要求1
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5任一所述的阻隔层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将权利要求1
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5任意一项所述的涂料涂布到电解质片上进行预烧结，使硝酸盐分解得到GDC粉体，并得到阻隔层预制体；将烧结助剂涂...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵世凯，张晓娇，王重海，徐传伟，马腾飞，李杰，陈大明，李洪达，丛晓彤，
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：