一种固体氧化物电池修饰电极的原位合成方法技术

本发明专利技术公开了一种固体氧化物电池修饰电极的原位合成方法，属于固体氧化物电池和固体氧化物电解池技术领域。本发明专利技术采用流延法制备燃料电极支撑体，然后丝网印刷燃料电极功能层，电解质和由电解质材料构成的多孔空气电极骨架，经一次烧结成形，再将合成空气电极功能材料和修饰材料的前驱体混合溶液浸渍进入空气电极骨架中完成固体氧化物电池的制备。采用本发明专利技术的方法，电池在使用过程中，由于工作温度高于空气电极功能成分前驱体的成相温度，因此在达到工作温度前可以完成空气电极功能成分的成相反应。采用这种工艺可以将传统电池制备所需的三次烧结工艺简化成一次烧结，空气电极功能成分在电池工作过程中成相，极大地简化了电池制备工艺。了电池制备工艺。了电池制备工艺。

【技术实现步骤摘要】
一种固体氧化物电池修饰电极的原位合成方法


[0001]本专利技术属于固体氧化物电池和固体氧化物电解池
，特别是涉及一种固体氧化物电池修饰电极的原位合成方法。

技术介绍

[0002]固体氧化物电池是一种全固态的电化学能量转化装置，可以以燃料电池模式运行，将燃料气体的化学能通过电化学反应直接转变成电能，也可以借由逆反应电解池模式利用电能电解水产生氢气和氧气。其结构包括支撑体，燃料电极，电解质和空气电极。以常见的氧离子导体电解质的固体氧化物电池为例，燃料电池模式的电化学反应在燃料电极和空气电极处发生，燃料分子在燃料电极中被氧化失去电子，空气中的氧气在空气电极获得电子被还原，电子通过外电路从燃料电极传输到空气电极，从而实现发电过程。电解池的电化学反应则是水在燃料电极获得电子分解为氢气和氧离子，氧离子穿过电解质在空气电极还原为氧气并释放电子。
[0003]根据电化学反应特点，通常采用的燃料电极结构为多孔金属镍和电解质陶瓷(如氧化钇稳定的氧化锆YSZ)，空气电极结构为电解质陶瓷和高温电子导电陶瓷(如掺杂的锰酸镧LSM)或电子/离子混合导电陶瓷(如掺杂的钴酸镧LSCF)。为了获得更高的电化学稳定性和能量转化率，通常会进一步对电极材料特别是空气电极材料进行修饰，如将修饰物质纳米PdO颗粒负载到空气电极多孔结构内，为阻止其颗粒长大还会同时负载纳米氧化锆颗粒，构成LSM+YSZ+PdO/ZrO2复合空气电极。
[0004]由于电池涉及多种材料的合成和成型，因此电池制备工艺较为复杂。电解质的致密化烧结温度一般高于1400℃，燃料电极通常为NiO+电解质陶瓷构成，物相较为稳定，可以进行共烧结，但空气电极中诸如LSM会在1200℃以上与YSZ反应生成高电阻的La2Zr2O7，因此空气电极的制备通常分步进行。典型的电池制备方法为：先采用流延法完成燃料电极支撑体制备，随后丝网印刷燃料电极和电解质，脱脂后共烧结完成除空气电极以外的制备。然后合成空气电极的活性成分LSM等，与YSZ粉体机械混合均匀后制备成印刷浆料印刷到烧结后的电解质表面，再进行低温烧结，如果需要对电极进行修饰，需要再向空气电极中浸渍修饰材料的溶液，通过溶胶
‑
凝胶法或自蔓延燃烧法合成活性物质前驱体，再进行低温焙烧后成相。电池的制备过程需要经过多次不同温度的烧结和焙烧过程，工艺繁琐，制备流程长，能耗大。

技术实现思路

[0005]为解决由空气电极特点带来的电池制备复杂问题，本专利技术提供一种固体氧化物电池修饰电极的原位合成方法。采用本专利技术的方法，电池在使用过程中，由于工作温度为750℃左右，在升温至400℃时，空气电极中的功能成分前驱体将开始反应成相，达到工作温度前可以完成LSM、PdO和ZrO2的成相反应。采用这种工艺可以将三次烧结工艺简化成一次烧结，空气电极功能成分在电池工作过程中成相，极大的简化了电池制备工艺。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]本专利技术目的之一是提供一种固体氧化物电池修饰电极的原位合成方法，包括如下步骤：采用流延法制备燃料电极支撑体，然后丝网印刷燃料电极功能层，电解质和由电解质材料构成的多孔空气电极骨架，经一次烧结成形，再将合成空气电极功能材料和修饰材料的前驱体混合溶液浸渍进入空气电极骨架中完成固体氧化物电池的制备。
[0008]进一步地，所述燃料电极支撑体由电解质和金属构成；所述燃料电极功能层与燃料电极支撑体的成分相同；所述电解质为致密的固态陶瓷离子导体；所述多孔空气电极骨架是在所述电解质中添加造孔剂制得的。
[0009]进一步地，所述造孔剂为淀粉或碳粉。
[0010]进一步地，所述燃料电极支撑体，燃料电极功能层，电解质和多孔空气电极骨架共同构成电池生坯，经高温烧结成形，获得由多孔的燃料电极支撑体，多孔的燃料电极功能层，致密的电解质层以及多孔的空气电极骨架构成的固体氧化物电池基体。
[0011]进一步地，所述多孔空气电极骨架，空气电极功能材料(具备电子导电能力)和修饰材料(增强空气电极催化能力或稳定空气电极结构)共同构成空气修饰电极。
[0012]进一步地，所述空气电极功能材料和修饰材料采用溶胶凝胶法合成，合成使用的溶液由包含可以生成功能材料成分和修饰材料成分的前驱体以溶液状态充分混合构成。
[0013]进一步地，所述浸渍是将所述混合溶液注入多孔空气电极骨架中。
[0014]进一步地，所述浸渍完成后进行静置或加热干燥，使混合溶液转变为凝胶。
[0015]进一步地，所述前驱体混合溶液经化学反应生成空气电极功能材料和修饰材料的温度低于所述固体氧化物电池的工作温度。
[0016]进一步地，所述固体氧化物电池在制备完成的状态下，所述空气修饰电极中不包含空气电极功能材料和修饰材料的成分，仅由可以通过化学反应生成这些成分的前驱体材料构成，在电池使用时，经历从室温升温至工作温度过程中，前驱体发生化学反应，原位生成电极功能材料和修饰材料的成分。
[0017]固体氧化物电池SOFC的空气电极材料中最常用的是LSM，为了提高中低温时LSM空气电极材料的电化学性能向其中掺杂贵金属催化剂，PdO作为金属氧化物催化剂，可以提高空气电极氧还原反应的速率从而提高空气电极的电化学性能。同时因为PdO在高温下容易发生团聚、长大的现象，因此加入ZrO2作为稳定剂。
[0018]本专利技术采用混合溶液浸渍后不进行烧结即可完成电池制备，此时空气电极中的功能成分均未成相。电池在使用过程中，由于工作温度为750℃左右，在升温至400℃时，空气电极中的功能成分前驱体开始反应成相，达到工作温度前可以完成LSM、PdO和ZrO2的成相反应。
[0019]本专利技术的有益效果：
[0020]本专利技术的燃料电极支撑体采用流延方式制备，燃料电极功能层和电解质采用丝网印刷的方式制备，完成电解质印刷后，再印刷一层添加了造孔剂的电解质材料，高温共烧结获得多孔的空气电极骨架。随后向空气电极浸渍用于合成空气电极活性物质和修饰物质的溶液，可在干燥后进行多次注入提高其含量。完成浸渍后电池生产工艺即完成，可用于电堆装配，不再进行烧结或焙烧。电堆工作温度通常为650
‑
750℃，高于空气电极活性物质成相温度，因此电池在升温过程中，空气电极的活性物质就可以完成成相合成过程。此方法既可
以进行单一类型活性物质的成相，也可以进行多种活性物质的共同成相。该原位成相法制备的空气电极活性成分通常为纳米尺度的颗粒，在工作过程中形貌还会发生进一步变化，包括颗粒长大和迁移，直到达到稳定状态，电化学性能也会产生相应变化。
[0021]采用此方法制备电池，避免了电极合成过程中多次烧结和焙烧，只需要一次高温烧结，可以大幅缩短制备流程，减少制备过程的时间消耗和能源消耗量，从而降低成本。与传统制备方法相比，本专利技术空气电极的电解质骨架与致密电解质的结合更加紧密，可以降低氧离子传导的电阻，空气电极在工作过程中也不容易分层剥落。
[0022]采用此方法制备电池，电极中的活性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固体氧化物电池修饰电极的原位合成方法，其特征在于，包括如下步骤：采用流延法制备燃料电极支撑体，然后丝网印刷燃料电极功能层，电解质和由电解质材料构成的多孔空气电极骨架，经一次烧结成形，再将合成空气电极功能材料和修饰材料的前驱体混合溶液浸渍进入空气电极骨架中完成固体氧化物电池的制备。2.根据权利要求1所述的固体氧化物电池修饰电极的原位合成方法，其特征在于，所述燃料电极支撑体由电解质和金属构成；所述燃料电极功能层与燃料电极支撑体的成分相同；所述电解质为致密的固态陶瓷离子导体；所述多孔空气电极骨架是在所述电解质中添加造孔剂制...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜冬，杨丽萍，贾礼超，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：