离子导体制造技术

用于电化学装置的固体离子传导材料包含源自具有钙钛矿、钙铁石、层状氧化物和/或K4CdCl6结构的氧化物的羟基氧化物或水合氧化物，初始氧化物的元素组成被选择为向衍生的无水或水合羟基氧化物或水合氧化物提供合适的传导特性。还公开了一种制备这种固体离子传导材料的方法(包括用水处理)以及引入这种固体离子传导材料(可选地作为电解质)的电化学装置。置。置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】离子导体
[0001]本专利技术涉及用于电化学装置(例如燃料电池和电解槽)中的新的固体离子传导材料、制造这种材料的方法以及使用这种材料层的电化学装置。特别地，本专利技术涉及使用具有合适的结构和反应性的各种陶瓷氧化物的羟基氧化物和/或水合氧化物作为固体离子传导材料，其因此可以被描述为陶瓷离子传导材料。在一些实施方式中，材料可以是纯的或主要是离子导体，并且可以用作电解质，该材料可以被描述为电解质材料。在其他实施方式中，材料可以提供混合的离子传导和电子传导，并且可以适合作为电极材料。
[0002]离子传导材料被用作电化学装置(例如燃料电池、电解槽、蓄电池、液流电池、电化学合成池、气体分离池和传感器)中的离子传导材料，例如电解质。电化学装置的挑战通常包括较差的耐久性和高成本；两个挑战都与所用材料有关。稳固且低成本的固体离子传导材料的开发将使耐久性得到改善并且成本得到降低，使得大规模应用在经济上是可行的。电解质是研究的具体焦点，但是应当理解，作为电解质的用途仅是离子传导材料在电化学装置中的广泛用途的一个实例。
[0003]例如，在用于电动车辆的燃料电池领域中，广泛使用质子交换膜燃料电池(PEMFC)(例如，由Toyota Mirai和Hyundai IX35开发的)。然而，由于在阴极侧产生的H2O2的氧化和Pt电极扩散到聚合物膜中引起短路，因此通常被认为是现有可用的最佳膜的膜电解质是不稳定的。使用膜的氢燃料电池的寿命一般小于2000小时，这对于具有大约10年的典型寿命的车辆来说是不理想的。的成本也非常高(通常在800美元/平方米左右)。因此，期望的是找到较低成本的膜。此外，因为是聚合物膜，它不是非常致密的。因此，在氢燃料电池的阳极处的H2可以扩散穿过膜到达阴极。这将导致阴极处的氢损失。由于氢是易燃的，这可能导致潜在的安全问题以及降低效率。因此，期望开发更致密的膜来替换聚合物膜，理想的是同时保持膜的柔性。类似地，在液流电池中，跨膜的钒离子的交叉扩散可能导致自放电，因此降低效率。
[0004]对于不同的燃料电池类型，已经研究了基于传导OH
‑
离子的聚合物电解质的碱性膜作为碱性膜燃料电池(AMFC)的电解质。所报道的碱性膜的低稳定性限制了AMFC的应用。因此，期望发现稳固的OH
‑
离子传导膜以用作新碱性燃料电池的电解质。用固体电解质替换常规碱性燃料电池中的液体KOH溶液电解质还可促进使用空气(不去除CO2)作为阴极处的氧化剂，从而降低运行成本。这同样适用于一些金属
‑
空气电池，例如，目前使用KOH溶液作为电解质的Zn
‑
空气电池。
[0005]技术人员将理解，也可以列出电化学合成、废水处理、气体分离等领域中的许多其他实例，从而强调对于改善的H
+
和OH
‑
离子传导材料的期望。因此，对于用作电解质的新的离子传导材料存在期望。
[0006]根据本专利技术的第一方面，提供了一种用于电化学装置的固体电解质，所述电解质包含源自具有钙钛矿或钙铁石结构的氧化物的羟基氧化物。该羟基氧化物具有以下通式：
[0007](A1‑
x
A
’
x
)1‑
a
B1‑
y
B
y
(O3‑
z
‑
d
C
z
)(OH)
m
·
nH2O；其中：
[0008]A和A
’
选自Ca、Sr、Ba、Ln、Y、Na、K、Rb、Cs、Pb和Bi；
[0009]B和B
’
选自Co、Fe、Mn、In、Ni、Cu、Zn、Sc、Ti、V、Cr、Ga、Ge、Al、Si、Sn、Sb、Zr、Hf、Nb、
Mo、W和Ta，并且包括Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni和Cu中的至少一种；
[0010]C选自N、Cl、F、Br、S和Se；
[0011]0≤x≤1；0≤y≤1；a≤0.15；z≤0.2；d≤2；m≥0.01；并且n≥0.
[0012]B和B
’
可选自Co、Fe、Mn、Ni、Cu、Zn、Sc、Ti、V、Cr、Ga、Ge、Al、Si、Sn、Sb、Zr、Hf、Nb、Mo、W和Ta。特别地，铟可以被排除，因为与其他组成相比，铟的性质可能不符合相对较高的成本。B和B
’
两者可选自以下元素：Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn。B和B”可以包括Mn、Fe、Co、Ni和Cu中的至少一种，并且可选地，B和B
’
中的至少一种是钴(Co)或铁(Fe)。
[0013]可选地，A和A
’
中的至少一个可以是锶(Sr)。
[0014]示例性材料包括Sr2Fe2O5和SrCo
0.5
Ti
0.5
O3‑
δ
。
[0015]当n＝0时，羟基氧化物可被描述为无水的。当n>0时，羟基氧化物可被描述为水合的。
[0016]制备电解质材料的具有钙钛矿或钙铁石结构的氧化物可称为起始材料。可选地，起始材料可具有钙铁石结构，并且可以是Sr2Co2O5，更精确地为Sr2Co2O5±
δ
，或Sr2Fe2O5，更精确地为Sr2Fe2O5±
δ
。因此，电解质可包含分别源自钙铁石结构的Sr2Co2O5±
δ
或Sr2Fe2O5±
δ
的羟基氧化物。可以选择缺氧的钙铁石结构的氧化物(即O5‑
δ
)。可选地，起始材料可以具有钙钛矿结构，并且可以是SrCoO3，更精确地为SrCoO3‑
δ
，或SrFeO3，更精确地为SrFeO3‑
δ
。因此，电解质可包含分别源自钙钛矿结构的SrCoO3‑
δ
或SrFeO3‑
δ
的羟基氧化物。当使用钙钛矿结构的氧化物时，可以选择缺氧的钙钛矿结构的氧化物(即，δ>0，O3‑
δ
，与在各个实施方式中接受的
±
δ的钙铁石结构的氧化物不同)。
[0017]m的值可以为0.01至2，可选地为0.2至1.5，进一步可选地为0.5至1。n的值可以为0至12，可选地为0.1至2，进一步可选地为0.2至1.5。
[0018]具有钙钛矿或钙铁石结构的氧化物可以是以下中的一种或多种：
[0019](i)Sr2Co2O5±
δ
；(ii)Sr2Co2O5‑
x
N
x
；(iii)Ca2Co2O5±
δ
；(iv)SrCoO3‑
δ
；(v)CaCoO3‑
δ
；(vi)SrCaFeCoO5±
δ
；(vii)SrCaCo2O5±
δ
；或(viii)SrCo
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电化学装置，其包含固体离子传导层，所述离子传导层包含源自具有钙钛矿或钙铁石结构的氧化物的羟基氧化物，所述羟基氧化物具有以下通式：(A1‑
x
A
’
x
)1‑
a
B1‑
y
B
y
(O3‑
z
‑
d
C
z
)(OH)
m
·
nH2O；其中：A和A
’
选自Ca、Sr、Ba、Ln、Y、Na、K、Rb、Cs、Pb和Bi；B和B
’
选自Ln、Y、Sc、Mg、Ca、Sr、Li、Na、Co、Fe、Mn、In、Ni、Cu、Zn、Sc、Ti、V、Cr、Ga、Ge、Al、Si、Sn、As、Sb、Zr、Hf、Nb、Mo、W、Cd和Ta；C选自N、Cl、F、Br、S、Te和Se；0≤x≤1；a≤0.15；z≤0.2；y≤1；d≤2；m≥0.01；n≥0，并且其中，所述电化学装置设置为在使用中，所述离子传导层暴露于液态水或具有至少5体积％的水的气体。2.如权利要求1所述的电化学装置，其中，以下的至少一个适用：(i)m为0.01至2，可选地为0.2至1.5，进一步可选地为0.5至1；和/或(ii)n为0至12，可选地为0.1至2，进一步可选地为0.2至1.5。3.如前述权利要求中任一项所述的电化学装置，其中，所述固体离子传导层是以下中的一种或多种：(i)纯离子导体，其中可选地，所述固体离子传导层是电解质；(ii)OH
‑
和/或H
+
离子的导体；和(iii)主要为OH
‑
离子导体。4.如前述权利要求中任一项所述的电化学装置，其中，具有钙钛矿或钙铁石结构的所述氧化物是以下中的一种或多种：(i)Sr2Co2O5±
δ
；(ii)Sr2Co2O5‑
x
N
x
；(iii)Ca2Co2O5±
δ
；(iv)SrCoO3‑
δ
；(v)CaCoO3‑
δ
；(vi)SrCaFeCoO5±
δ
；(vii)SrCaCo2O5±
δ
；或(viii)SrCo
0.5
Ti
0.5
O3‑
δ
；(ix)Sr2Fe2O5±
δ
；(x)Sr2Fe2O5‑
x
N
x
；(xi)Ca2Fe2O5±
δ
；(xii)SrZr
0.8
Y
0.2
O3‑
δ
；
(xiii)SrCe
0.8
Y
0.2
O3‑
δ
；(xiv)SrCeO3‑
δ
；或(xv)SrCaFe2O5±
δ
。5.一种用于电化学装置的固体离子传导层，所述固体离子传导层包含源自具有钙铁石结构的氧化物的水合氧化物，所述水合氧化物具有以下通式：(A2‑
x
A
’
x
)1‑
a
B2‑
y
B
y
(O1‑
z
C
z
)5±
δ
·
n
’
H2O其中：A和A
’
选自Ca、Sr、Ba、Ln、Y、Na、K、Rb、Cs、Pb和Bi；B和B
’
选自Ln、Y、Sc、Mg、Ca、Sr、Li、Na、Co、Fe、Mn、In、Ni、Cu、Zn、Ti、V、Cr、Ga、Ge、Al、Si、Sn、Sb、Zr、Hf、Nb、Mo、W、Cd、As和Ta；C选自N、Cl、F、Br、S、Te和Se；a≤0.15；0≤x≤1；0≤y≤1；z≤0.04；并且n
’
≥0.01。6.如权利要求5所述的固体离子传导层，其中，具有钙铁石结构的所述氧化物是以下中的一种或多种：(i)Sr2Fe2O5；(ii)Sr2FeCoO5；(iii)Sr2Fe2O5‑
x
N
x
；或(iv)Ba2InCe
0.5
La
0.5
O5。7.一种用于电化学装置的固体离子传导层，所述固体离子传导层包含源自具有钙钛矿结构的氧化物的水合氧化物，所述水合氧化物具有以下通式：(A1‑
x
A
’
x
)1‑
a
B1‑
y
B
’
y
O3‑
z
‑
d
’
C
z
·
n”H2O其中：A和A
’
选自Ca、Sr、Ba、Ln、Y、Na、K、Rb、Cs、Pb和Bi；B和B
’
选自Ln、Y、In、Sc、Sr、Ca、Mg、Li、Na、Co、Fe、Mn、Ni、Cu、Zn、Ti、V、Cr、Ga、Ge、Al、Si、Sn、Sb、Zr、Hf、Nb、Mo、W、Cd、As和Ta；C选自N、Cl、F、Br、S和Se；0≤x≤1；a≤0.15；z≤0.2；d≤2；n”≥0.01。8.如权利要求7所述的固体离子传导层，其中，具有钙钛矿结构的所述氧化物是以下中的一种或多种：(i)SrCoO3‑
δ
；(ii)SrCo
0.5
Ti
0.5
O3‑
δ
；
(iii)SrZr
0.8
Y
0.2
O3‑
δ
；(iv)SrCe
0.8
Y
0.2
O3‑
δ
；或(v)SrCeO3‑
δ
。9.一种用于电化学装置的固体离子传导层，所述固体离子传导层包含源自具有K4CdCl6结构的氧化物的水合氧化物，或水合或非水合羟基氧化物，所述具有K4CdCl6结构的氧化物具有以下通式：(A1‑
x
A...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶善文，
申请(专利权)人：华威大学，
类型：发明
国别省市：