一种高熵钙钛矿电解质及其制备方法与应用、电池技术

本发明专利技术公开了一种高熵钙钛矿电解质及其制备方法与应用、电池，属于燃料电池电解质技术领域。高熵钙钛矿电解质的化学式为BaMO3‑

【技术实现步骤摘要】
(BZCSTY)或BaZr
0.2
Ce
0.2
Y
0.2
Sn
0.2
Pr
0.2
O3(BZCSPY)。
[0009]注意，此处为M位包括5种原子比相等的元素的情况，还可以为五种以上的情况，例如十种原子比相等的元素：BaZr
0.1
Ce
0.1
Sn
0.1
Ti
0.1
Y
0.1
Nb
0.1
Mo
0.1
Mn
0.1
Ni
0.1
Cu
0.1
O3‑
δ
，例如八种原子比相等的元素：BaZr
0.125
Ce
0.125
Sn
0.125
Ti
0.125
Y
0.125
Nb
0.125
Mo
0.125
Mn
0.125
O3‑
δ
，等等。
[0010]本专利技术中的M位元素排位不分先后。
[0011]本专利技术还提供了上述高熵钙钛矿电解质的制备方法，通过溶胶凝胶法、固相法或闪烧法制得。
[0012]进一步地，固相法包括以下步骤：
[0013]按照比例关系称取原料，加入溶剂后以350
‑
450rpm球磨20
‑
30h，制得前驱体；
[0014]将前驱体于空气氛围中1200
‑
1500℃煅烧4
‑
6h，制得高熵钙钛矿电解质粉体。
[0015]进一步地，溶胶凝胶法包括以下步骤：
[0016]按照比例关系称取原料，加入有机酸配体和氨水溶液，于75
‑
85℃条件下水浴加热形成溶胶，有机酸配体为一水合柠檬酸与乙二胺四乙酸的混合物；
[0017]将溶胶于230
‑
280℃保温1
‑
3h后，再于1200
‑
1500℃条件下烧结4
‑
6h，制得高熵钙钛矿电解质粉体。
[0018]进一步地，闪烧法包括以下步骤：
[0019]按照比例关系称取原料，加入溶剂后以350
‑
450rpm球磨20
‑
30h，经15
‑
18MPa压制8
‑
12min后，制得前驱体；
[0020]将前驱体两端缠绕铂丝后以8
‑
12℃/min的升温速率从室温升温至900
‑
1000℃，并恒温30min后，于前驱体两端施加恒定场强，制得高熵钙钛矿电解质粉体；
[0021]其中场强为120
‑
180V/cm，限流电流值为0.5
‑
0.7A。
[0022]进一步地，通过本专利技术制备的高熵钙钛矿电解质可以制备固体氧化物燃料电池SOFC，包括以下步骤：
[0023]将阴极材料[BaCo
0.4
Fe
0.4
Zr
0.1
Y
0.1
O3‑
δ
(BCFZY)]通过丝网印刷的方法涂覆于本专利技术制备的高熵钙钛矿电解质上(例如BZCSTY或BZCSPY电解质上)，并以本专利技术制备的高熵钙钛矿电解质(例如BZCSTY或BZCSPY)为阳极材料，制成阳极支撑型单体电池，向阳极侧通入50mL/min的燃料气。
[0024]具体的，(1)通过干压NiO+BZCSPY阳极和BZCSPY电解质制成阳极支撑型半电池，在电解质上丝网印刷BaCo
0.4
Fe
0.4
Zr
0.1
Y
0.1
O3‑
δ
(BCFZY)阴极制成单体电池，向阳极侧通入50mL/min的燃料气。
[0025](2)通过干压NiO+BZCSTY阳极和BZCSTY电解质制成阳极支撑型半电池，在电解质上丝网印刷BaCo
0.4
Fe
0.4
Zr
0.1
Y
0.1
O3‑
δ
(BCFZY)阴极制成单体电池，向阳极侧通入50mL/min的燃料气。
[0026]本电池中，首先，阳极生成的H
+
离子通过电解质传递到PC
‑
SOFC阴极与O2接触的反应活性位点处，O2发生电化学还原生成H2O，同时释放出电子，金属集流体为电子提供传输通道，在外电路形成电流。本专利技术的高熵钙钛矿电解质材料具有良好的质子导电性、较高的机械强度和良好的化学稳定性。
[0027]进一步地，燃料气为氢气、甲烷、甲醇或一氧化碳。
[0028]本专利技术还公开了一种质子传导型固体氧化物燃料电池，以高熵钙钛矿电解质为电
极材料。此处的电极材料包括作为阳极和电解质材料的原料的使用。
[0029]综上所述，本专利技术具有以下优点：
[0030]1、本专利技术制备的高熵钙钛矿电解质，具有烧结活性好的特点，并且在高浓度水蒸气、二氧化碳、氢气气氛中保持稳定的相结构，表明该高熵阳极拥有良好的结构稳定性，在PC
‑
SOFC阳极应用中表现出极大的潜力。
[0031]2、本专利技术制备的高熵钙钛矿电解质，具备良好的烧结活性，用于制备单体电池，可以实现较高的输出功率和和电化学稳定性，例如在650℃的工作温度下，单体电池NiO
‑
BZCSTY||BZCSTY||BCFZY最大输出功率可达0.95W/cm2，以0.71A/cm2的电流密度恒电流输出，稳定工作500h；在650℃，单体电池NiO
‑
BZCSPY||BZCSPY||BCFZY最大输出功率可达0.88mW/cm2，以0.68A/cm2的电流密度恒电流输出，稳定工作500h。
附图说明
[0032]图1为固相法合成的BaZr
0.2
Ce
0.2
Sn
0.2
Ti
0.2
Y
0.2
O3‑
δ
(BZCSTY)电解质材料的XRD图。
[0033]图2为溶胶凝胶法合成的BZCSTY电解质材料的XRD图。
[0034]图3为闪烧法合成的BZCSTY电解质材料的XRD图。
[0035]图4为高熵钙钛矿电解质BZCSTY在不同蒸汽浓度中的XRD图。
[0036]图5为高熵钙钛矿电解质BZCSTY在不同二氧化碳浓度中的XRD图。
[0037]图6为高熵钙钛矿电解质BZCSTY在不同氢气浓度中的XRD图。
[0038]图7为高熵钙钛矿电解质BZCSTY在1400℃烧结后电解质表面SEM图。
[0039]图8为试验例6组装的电池截面SEM图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高熵钙钛矿电解质，其特征在于，化学式为BaMO3‑
δ
，其中，M位包括至少五种原子比相等的元素，所述元素由Zr、Ce和其它元素组成，其它元素为Sn、Ti、Y、Nb、Mo、Mn、Ni、Cu和Zn中的至少三个，0≤δ＜0.2。2.如权利要求1所述的高熵钙钛矿电解质，其特征在于，所述高熵钙钛矿电解质的化学式为BaZr
0.2
Ce
0.2
Sn
0.2
Ti
0.2
Y
0.2
O3‑
δ
、BaZr
0.2
Ce
0.2
Sn
0.2
Ti
0.2
Pr
0.2
O3‑
δ
、BaZr
0.2
Ce
0.2
Pr
0.2
Ti
0.2
Y
0.2
O3‑
δ
或BaZr
0.2
Ce
0.2
Y
0.2
Sn
0.2
Pr
0.2
O3‑
δ
。3.权利要求1或2所述的高熵钙钛矿电解质的制备方法，其特征在于，通过溶胶凝胶法、固相法或闪烧法制得。4.如权利要求3所述的高熵钙钛矿电解质的制备方法，其特征在于，所述固相法包括以下步骤：按照比例关系称取原料，加入溶剂后以350
‑
450rpm球磨20
...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔金硕，王振华，孙家翔，孙克宁，孙旺，任戎征，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：