[发明专利]一种低温预烧制备氧基磷灰石型硅酸镧电解质粉体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备氧基磷灰石型硅酸镧电解质粉体的方法。

背景技术

燃料电池是一种高效、环境友好的电化学能量转换装置，以其独特的优点成为21世纪最具发展潜力的绿色能源。其中固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cells，SOFCs)由于具有高的能量转换效率、结构简单、无液体腐蚀和流失问题以及寿命长等优点，引起了人们的广泛关注。目前商业化应用中主要使用氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)作为电解质材料，但是此材料需要在1273K的高温下才能维持其高的离子电导率，由于使用温度过高，导致电解质老化，电极和连接材料选择困难，启动时间长，制造成本高，密封和结构上的问题以及长时间运转稳定性等问题，因此较高的操作温度在一定程度上限制了SOFCs的发展和使用。

氧基磷灰石型硅酸镧电解质材料在中低温下具有高的离子电导率和低的活化能，而且其热膨胀系数与阴阳极材料相匹配，有可能成为一种性能优异的新型电解质材料，从而加速SOFCs的中低温化进程和商业化发展。目前这种电解质材料的制备方法主要是高温固相反应法和溶胶凝胶法。溶胶凝胶法制备的粉体粒径小而且均匀，烧结温度较低，但是所使用的金属纯盐成本较高；高温固相反应法操作简单，成本低，是目前为止最常用的制备方法，但是高温固相反应法所使用的氧化物粉体需要在高于1873K的温度下保温10～30h才能合成氧基磷灰石结构的硅酸镧相，而由于粉体混合的不均匀，常形成阻碍电导率提高的第二相La₂SiO₅或La₂Si₂O₇，第二相的存在也影响了固相反应致密化的进行，不利于电导率的提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有溶胶凝胶法制备氧基磷灰石型硅酸镧电解质粉体所需要的原料成本高；未经预烧粉体需要在高于1873K的温度下保温10～30h才能合成氧基磷灰石结构的硅酸镧相，耗能多；并且因粉体混合的不均匀，常形成第二相La₂SiO₅或La₂Si₂O₇，导致电导率低的技术问题，而提供一种低温预烧制备氧基磷灰石型硅酸镧电解质粉体的方法。

一种低温预烧制备氧基磷灰石型硅酸镧电解质粉体的方法，通过以下步骤实现：一、将La₂O₃粉体与SiO₂粉体进行干燥处理，控制干燥温度为873～1273K，干燥1～4h后降至室温，其中升温速度为100～300K·h^-1，降温速度为100～500K·h^-1；二、根据化学式La_10-xSi₆O_27-3x/2，按照La与Si的化学计量比为(10-x)∶6，取步骤一中干燥后的La₂O₃粉体与SiO₂粉体，其中0≤x≤0.67；三、将步骤二取得的La₂O₃粉体与SiO₂粉体放入球磨罐中，同时加入无水乙醇和氧化锆磨球，无水乙醇的加入量为La₂O₃粉体与SiO₂粉体总质量的0.5～3倍，氧化锆磨球的质量为La₂O₃粉体与SiO₂粉体总质量的3～5倍，密封后的球磨罐置于球磨机上，以200～400rpm的转速湿混12～48h，得到混合粉体；四、将步骤三得到的混合粉体在250～300K温度下烘干，然后经160～500目过筛，再在空气炉中以1473～1673K的温度预烧5～15h；五、将步骤四得的混合物粉体进行研磨和过筛后得到粒径5～100μm的氧基磷灰石型硅酸镧电解质粉体。

本发明的优点：比溶胶凝胶法所使用的原料成本低，制备粉体工艺简单；利用本发明得到的氧基磷灰石型硅酸镧电解质粉体，通过固相反应制备固体电解质时，固相反应温度降至1773～1873K，保温时间需5～10h，耗能量降低；能严格控制氧基磷灰石型硅酸镧的化学计量比，产生的第二相含量低，产品纯度高，有利于提高产品固相反应后的电导率。

附图说明