一种具有电解质薄层的固体氧化物半电池及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有电解质薄层的固体氧化物半电池及其制备方法。本发明专利技术所述的具有电解质薄层的固体氧化物半电池包括：指状孔结构支撑层，其厚度为250

【技术实现步骤摘要】
一种具有电解质薄层的固体氧化物半电池及其制备方法


[0001]本专利技术涉及固体氧化物燃料电池和电解电池
，具体涉及一种具有电解质薄层的固体氧化物半电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]本专利技术
技术介绍
中公开的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]固体氧化物燃料电池(SOFC)可在高温下直接将存储在燃料中的化学能(无需转换为热能)以高效、清洁的方法转化为电能，同时还具有高能量转化效率、无污染、燃料适用性广等优点。作为SOFC的逆过程，固体氧化物燃料电解池(SOEC)是一种将电能直接转化为化学能的装置，例如电解水制氢气。因此，能够结合SOFC和SOEC功能的可逆固体氧化物池(RSOC)正在引起越来越多的关注。
[0004]提高SOFC或SOEC电池能量转化效率的有效途径之一是将电解质层，薄膜化以降低电池内阻、减少内耗，提高电池的输出性能。目前，制备电解质薄膜的方法主要包括化学法、物理法、陶瓷粉末工艺法。化学法(包括气相沉积、溶胶凝胶法、喷雾热解法)和物理法(包括射频溅射、磁控溅射、热喷雾、激光沉积)制备的电解质厚度薄、纯度高、结构致密，但是缺点在于制备价格昂贵、生产效率不高、涂层与基底之间热化学不兼容、有时还会放出有毒的副产物。陶瓷粉末工艺法(包括相转化法、浆料涂敷法、丝网印刷法、旋涂法、干压法等)制备的电解质价格低廉、适宜大规模生产，但是电解质厚度较大，该工艺制备的电极支撑电池同样面临电极层与电解质层热化学不匹配的问题。传统制备具有电解质薄膜半电池技术面临工艺繁琐、成本高、层与层之间易剥离等问题，因此亟需开发一种制备具有电解质薄层、层与层之间兼容性良好的半电池简易方法。

技术实现思路

[0005]针对现有制备技术的不足，本专利技术提供一种采用流延相转化和界面诱导相结合技术，制备具有电解质薄层的固体氧化物半电池。本专利技术所提供的制备方法节省传统工艺中丝网印刷、喷涂、化学沉积等步骤，简化工艺，降低成本；电解质层厚度易于调控，最薄可达5微米，能够显著降低氧离子传输阻力，提高电池性能。本专利技术中由于电解质薄层是从功能层诱导得到，因此，它与电极支撑层之间的粘连性强，不易分层剥离，从而提高电池长时间工作时的稳定性。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供以下技术方法：
[0007]本专利技术的第一方面，提供一种具有电解质薄层的固体氧化物半电池的制备方法，所述固体氧化物半电池包括：指状孔结构支撑层、致密结构功能支撑层和致密电解质层；所述制备方法包括采用流延相转化和界面诱导相结合技术制备，所述制备方法包括如下步骤：
[0008](1)将聚合物、有机溶剂与含有电解质的支撑层陶瓷粉末混合，制备浆料；
[0009](2)将浆料流延成型后浸没在非溶剂中，获得初始坯体；
[0010](3)坯体经干燥、剪裁、定型后，高温焙烧得到具有指状孔结构和致密结构支撑层的预烧体；
[0011](4)将预烧体放置在氧化铝基底上，其中致密结构功能支撑层一侧与氧化铝基底接触，经过高温界面诱导后在致密结构功能支撑层的表面形成一层致密薄层，从而得到三层结构的固体氧化物半电池。
[0012]上述三层结构固体氧化物半电池中，指状孔结构支撑层和致密结构功能支撑层为电极层，高温界面诱导得到的致密薄层为电解质层。
[0013]步骤(1)中，所述含有电解质的支撑层陶瓷粉末选自由过渡金属氧化物组成的多相复合材料或由过渡金属氧化物和稀土金属氧化物组成的多相复合材料；
[0014]当所述含有电解质的支撑层陶瓷粉末为由过渡金属氧化物组成的多相复合材料时，所述过渡金属氧化物包括NiO、ZnO、Fe2O3、Co3O4、MnO2中的两种，Y2O3和Sc2O3中的一种或两种，以及ZrO2；所述电解质为氧化钇稳定的氧化锆或氧化钪稳定的氧化锆的一种，基于含有电解质的支撑层陶瓷粉末总摩尔量，其摩尔百分数为30
‑
80％；
[0015]当所述含有电解质的支撑层陶瓷粉末为由过渡金属氧化物和稀土金属氧化物组成的多相复合材料时，所述过渡金属氧化物为NiO、Fe2O3、ZnO、Co3O4、MnO2中的两种，所述稀土金属氧化物为Gd2O3、Pr2O3、Sm2O3中的一种或两种、以及CeO2；所述电解质为氧化镨掺杂的氧化铈、氧化钆掺杂的氧化铈和氧化钐掺杂的氧化铈中的一种，基于含有电解质的支撑层陶瓷粉末总摩尔量，其摩尔百分数为30
‑
80％；
[0016]优选的，电解质薄层为Y
0.08
Zr
0.92
O2‑
δ
(YSZ)，致密结构功能层为60mol.％Y
0.08
Zr
0.92
O2‑
δ
和40mol.％NiFe2O4(YSZ
‑
NFO)；指状孔结构支撑层为60mol.％Y
0.08
Z
r0.92
O2‑
δ
和40mol.％NiFe2O4(YSZ
‑
NFO)。
[0017]步骤(1)中，所述聚合物选自聚砜、聚醚砜、聚偏氟乙烯、聚醚酰亚胺、聚氯乙烯中的一种或两种。
[0018]步骤(1)中，有机溶剂为N，N
‑
二甲基甲酰胺、N
‑
甲基吡咯烷酮、N，N
‑
二甲基乙酰胺中的一种或两种。
[0019]步骤(1)中，聚合物、有机溶剂、含有电解质的支撑层陶瓷粉末的质量比为10：35：55。
[0020]步骤(2)中，所述非溶剂选自水、极性溶剂、水/极性溶剂的混合溶剂。
[0021]步骤(3)中，高温焙烧温度为1350
–
1500℃，保温时间为3
‑
20h；
[0022]步骤(4)中，所述氧化铝基底选自致密刚玉片或氧化铝粉末；所述高温界面诱导的温度为1350
‑
1500℃，保温时间为3
‑
20h。
[0023]指状孔结构支撑层的厚度为250
‑
500μm；致密结构功能支撑层的厚度为1
‑
30μm，致密电解质层厚度为0.5
‑
5μm。
[0024]本专利技术的第二方面，提供上述制备方法制备得到的具有电解质薄层的固体氧化物半电池。
[0025]本专利技术的有益效果为：
[0026]1)本专利技术方法制备电解质层是通过界面诱导而得，节省传统工艺中丝网印刷、喷
涂、化学沉积等步骤，简化工艺，降低成本。
[0027]2)本专利技术方法制备的半电池中电解质层厚度易于调控，最薄可达5微米，能够显著降低氧离子传输阻力，提高电池性能。
[0028]3)本专利技术制备的半电池中电极包含指状结构支撑层和致密结构功能层，由于电解质薄层是从致密功能层诱导得到，因此，它与电极支撑层之间的粘本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有电解质薄层的固体氧化物半电池的制备方法，其特征在于，所述固体氧化物半电池包括：指状孔结构支撑层、致密结构功能支撑层和致密电解质层；所述制备方法包括如下步骤：(1)将聚合物、有机溶剂与含有电解质的支撑层陶瓷粉末混合，制备浆料；(2)将浆料流延成型后浸没在非溶剂中，获得初始坯体；(3)坯体经干燥、剪裁、定型后，高温焙烧得到具有指状孔结构和致密结构支撑层的预烧体；(4)将预烧体放置在氧化铝基底上，其中致密结构功能支撑层一侧与氧化铝基底接触，经过高温界面诱导后在致密结构功能支撑层的表面形成一层致密薄层，从而得到三层结构的固体氧化物半电池。2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述含有电解质的支撑层陶瓷粉末选自由过渡金属氧化物组成的多相复合材料或由过渡金属氧化物和稀土金属氧化物组成的多相复合材料；当所述含有电解质的支撑层陶瓷粉末为由过渡金属氧化物组成的多相复合材料时，所述过渡金属氧化物包括NiO、ZnO、Fe2O3、Co3O4、MnO2中的两种，Y2O3和Sc2O3中的一种或两种，以及ZrO2；所述电解质为氧化钇稳定的氧化锆或氧化钪稳定的氧化锆的一种，基于含有电解质的支撑层陶瓷粉末总摩尔量，其摩尔百分数为30
‑
80％；当所述含有电解质的支撑层陶瓷粉末为由过渡金属氧化物和稀土金属氧化物组成的多相复合材料时，所述过渡金属氧化物为NiO、Fe2O3、ZnO、Co3O4、MnO2中的两种，所述稀土金属氧化物为Gd2O3、Pr2O3、Sm2O3中的一种或两种、以及CeO2；所述电解质为氧化镨掺杂的氧化铈、氧化钆掺杂的氧化铈和氧化钐掺杂的氧化铈中的一种，基于含有电解质的支撑层陶瓷粉末总摩尔量，其摩尔百分数为30
‑
80％；优选的，电解质薄层为Y
0.08
Zr
0.92
O2‑
δ
，致密结构功能层为60mol.％Y...

【专利技术属性】
技术研发人员：江河清，贺广虎，梁文渊，
申请(专利权)人：中国科学院青岛生物能源与过程研究所，
类型：发明
国别省市：