高性能超薄正极-电解质-负极固体氧化物电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了高性能超薄正极

【技术实现步骤摘要】
高性能超薄正极
‑
电解质
‑
负极固体氧化物电池及其制备方法


[0001]本专利技术属于固体氧化物电池领域，具体涉及一种新型固体氧化物电池结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]固体氧化物电池(Solid Oxide Cells，简称SOC)是21世界最清洁、高效的能量转换装置之一，它有两种工作模式。在燃料电池模式(Fuel Cell，简称FC)下，它可以将化学能直接转换为电能进行使用；在电解池模式(Electrolysis Cell，简称EC)下，它可以将富余的电能直接转换为化学能进行存储。目前SOC的商业化产品主要以电解质支撑型和燃料极支撑型为主，对于电解质支撑型SOC，电解质厚度一般≧200μm，且其性能较差，因为电解质厚度较大，欧姆阻抗较大，影响了电池的整体性能。对于燃料极支撑型SOC，燃料极厚度≧400μm，其相对于电解质支撑型SOC，电解质可实现薄膜化，从而减小欧姆阻抗，实现更高的性能。然而，燃料极支撑型SOC主要是通过共压、流延热压等方法制备燃料极支撑体与电解质半电池，再经过高温共烧结得到致密电解质层，空气极通过丝网印刷等方法制备，从而得到完整的单电池。在这些制备方法中，都存在以下问题：(1)对于金属
‑
陶瓷支撑型SOC，燃料极较厚，且需要与在电解质在高温共烧结以实现电解质致密化，由于热膨胀系数存在差异，电池会出现弯曲、开裂等情况，烧结工艺比较复杂；(2)燃料极采用的氧化镍在高温烧结(1350
‑
1500℃)过程中，易于与LSGM等电解质发生反应，产生杂相；(3)高温烧结对燃料极支撑体的微观形貌有一定的影响，如颗粒长大、孔隙率降低等，影响燃料气体的传输，容易产生浓差极化，影响电池性能。
[0003]为此，亟需提供一种新型SOC电池结构，既可实现电解质薄膜化，又避免较厚的燃料极支撑体与电解质高温共烧结。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的不足，本专利技术提供了一种高性能超薄正极
‑
电解质
‑
负极固体氧化物电池及其制备方法。该电池同时拥有以下几点优势：(1)可以实现致密薄膜电解质的厚度可控制备；(2)避免了支撑体与电解质的高温共烧结过程，避免了副反应发生和热不匹配性。本专利技术在能耗、安全性和成本等方面都优于传统的制备方法，能够实现大批量生产。
[0005]本专利技术提供了一种高性能超薄正极
‑
电解质
‑
负极固体氧化物电池及其制备方法，所述所提供的技术方案如下：
[0006]方案一：
[0007]S01：提供L1
‑
致密薄膜电解质片。构成所述致密薄膜电解质片的材料包括SOC通用电解质材料，如(Y2O3)
0.08
Zr
0.92
O2、(Sc2O3)
0.10
(CeO2)
0.01
(ZrO2)
0.89
、Sm
0.2
Ce
0.8
O
1.9
、Gd
0.1
Ce
0.9
O
1.9
、BaZr
0.1
Ce
0.7
Y
0.2
O3‑
δ
、BaZr
0.3
Ce
0.5
Y
0.2
O3‑
δ
或BaZr
0.1
Ce
0.7
Y
0.1
Yb
0.1
O3‑
δ
中的至少一种，致密薄膜电解质材料包括但不限于以上几种。优选的，构成所述致密薄膜电解质片的材
料是(Y2O3)
0.08
Zr
0.92
O2、La
0.9
Sr
0.1
Ga
0.8
Mg
0.2
O3‑
δ
、BaZr
0.1
Ce
0.7
Y
0.1
Yb
0.1
O3‑
δ
或Gd
0.1
Ce
0.9
O
1.9
的至少一种。
[0008]S02：提供L4
‑
多孔燃料极。构成所述多孔燃料极的材料包括镍
‑
稳定的氧化锆((Y2O3)
0.08
Zr
0.92
O2、(Sc2O3)
0.10
(CeO2)
0.01
(ZrO2)
0.89
)、镍
‑
掺杂的氧化铈(Sm
0.2
Ce
0.8
O
1.9
、Gd
0.1
Ce
0.9
O
1.9
)、镍
‑
掺杂的铈酸钡(BaZr
0.1
Ce
0.7
Y
0.2
O3‑
δ
、BaZr
0.3
Ce
0.5
Y
0.2
O3‑
δ
、BaZr
0.1
Ce
0.7
Y
0.1
Yb
0.1
O3‑
δ
)中的至少一种。
[0009]S03：提供L3
‑
第二阻隔层。如多孔燃料极为金属陶瓷基燃料极，多孔燃料极侧一般不需制备阻隔层，仅需要在多孔空气极侧制备，且阻隔层在多孔燃料极之后制备，掺杂的氧化铈(Sm
0.2
Ce
0.8
O
1.9
、Gd
0.1
Ce
0.9
O
1.9
或La
0.4
Ce
0.6
O2‑
δ
)中的一种作为阻隔层。
[0010]S04：提供L5
‑
多孔空气极。构成所述多孔空气极的材料包括La
0.6
Sr
0.4
Co
0.8
Fe
0.2
O3‑
δ
、La
0.8
Sr
0.2
MnO3或PrBa
0.5
Sr
0.5
Co
1.5
Fe
0.5
O
5+δ
以及这些材料与电解质材料的复相中的至少一种。
[0011]方案二：
[0012]S01：提供L1
‑
致密薄膜电解质片。构成所述致密薄膜电解质片的材料包括SOC通用电解质材料，如(Y2O3)
0.08
Zr
0.92...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.正极
‑
电解质
‑
负极固体氧化物电池，其特征在于：由致密薄膜电解质，分别涂覆在致密薄膜电解质两侧的第一电池阻隔层和第二电池阻隔层，涂覆在第一电池阻隔层外侧的多孔燃料极和涂覆在第二电池阻隔层外侧的孔空气极组成；致密薄膜电解质材料为(Y2O3)
0.08
Zr
0.92
O2、(Sc2O3)
0.10
(CeO2)
0.01
(ZrO2)
0.89
、Sm
0.2
Ce
0.8
O
1.9
、Gd
0.1
Ce
0.9
O
1.9
、BaZr
0.1
Ce
0.7
Y
0.2
O3‑
δ
、BaZr
0.3
Ce
0.5
Y
0.2
O3‑
δ
、BaZr
0.1
Ce
0.7
Y
0.1
Yb
0.1
O3‑
δ
、La
0.8
Sr
0.2
Ga
0.8
Mg
0.2
O3‑
δ
或La
0.9
Sr
0.1
Ga
0.8
Mg
0.2
O3‑
δ
；构成所述电池阻隔层材料为Sm
0.2
Ce
0.8
O
1.9
、Gd
0.1
Ce
0.9
O
1.9
或La
0.4
Ce
0.6
O2‑
δ
；电池多孔燃料极材料为金属
‑
陶瓷基燃料极：镍
‑
稳定的氧化锆、镍
‑
掺杂的氧化铈、镍
‑
掺杂的铈酸钡，构成所述电池多孔空气极材料包含La
0.6
Sr
0.4
Co
0.8
Fe
0.2
O3‑
δ
、La
0.8
Sr
0.2
MnO3、PrBa
0.5
Sr
0.5
Co
1.5
Fe
0.5
O
5+δ
或这些材料与电解质材料的复相；其中，δ为氧空位的含量。2.根据权利要求1所述的正极
‑
电解质
‑
负极固体氧化物电池，其特征在于：致密薄膜电解质片通过流延法提供，所述致密薄膜电解质材料包括(Y2O3)
0.08
Zr
0.92
O2、(Sc2O3)
0.10
(CeO2)
0.01
(ZrO2)
0.89
、Sm
0.2
Ce
0.8
O
1.9
、Gd
0.1
Ce
0.9
O
1.9
、BaZr
0.1
Ce
0.7
Y
0.2
O3‑
δ
、BaZr
0.3
Ce
0.5
Y
0.2
O3‑
δ
、BaZr
0.1
Ce
0.7
Y
0....

【专利技术属性】
技术研发人员：夏长荣，张璐，张濒泽，张镇，宦道明，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：