[发明专利]高稳定性掺杂铈酸锶/铈酸锆-碱金属盐复合电解质及其制备方法

说明书

本发明提供了一种掺杂铈酸锶/铈酸锆‑碱金属盐复合电解质，首先，通过在铈酸锶/铈酸锆固溶体材料中进一步掺杂稀土阳离子获得高稳定性高电导率掺杂SrCeO₃/SrZrO₃固溶体，其通过溶胶凝胶法制备而得，再与碱金属盐在中低温下进行复合，得到的复合电解质具有优异的化学稳定性和电导率，用其制作的固体燃料氧化物电池的工作温度大幅度降低，且在长时间内可维持稳定的输出功率密度。

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池材料的开发领域，涉及一种适于固体氧化物燃料电池的高稳定性掺杂铈酸锶/铈酸锆-碱金属盐复合电解质及其制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)能高效、清洁的将化学能转化为电能从而得到研究学者的广泛研究。目前SOFC电解质材料使得SOFC的工作温度高，一般在1000℃以上，如此高的温度给SOFC的商业化带来了一系列的问题：(1)电池关键材料选择具有较大的局限性；(2)电池堆密封困难；(3)高温条件下，电极材料微观结构容易变化，从而引起电极材料性能失效，导致电池性能快速衰退。SOFC的中低温(600～800℃)操作趋势成为必然。但是，随着电池操作温度的中低温化，电解质材料的电导率下降，加大了电池的欧姆损耗，严重影响了电池的电化学性能。

研究发现，有望作为SOFC电解质的正三价稀土元素掺杂的SrCeO₃或BaCeO₃在高温下具有优良的质子导电性，但是其在中低温时电导率通常在10^-4～10^-3S·cm^-1。同时，正三价稀土元素掺杂的SrCeO₃或BaCeO₃电解质与二氧化碳反应容易分解，化学稳定性不高，不能满足SOFC的商业应用。

因此，亟待开发一种在中低温条件下具有电化学性质良好、性能稳定，且制备方法简便易行的固体氧化物燃料电池的电解质。

发明内容

为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，结果发现：将三价稀土元素与锆(Zr)掺杂的铈酸锶(SrCeO₃)与碱金属盐的共熔体进行复合，得到的复合物用作SOFC的电解质能够显著降低固体燃料电池的工作温度，而且由其组装成的SOFC在长时间内(至少40h)的输出功率密度、电流密度、电导率显著增大且可稳定持续，从而完成了本发明。

本发明的目的在于提供以下方面：

本发明的第一方面，提供了一种掺杂铈酸锶-碱金属盐复合电解质，所述掺杂铈酸锶为正三价稀土元素掺杂铈酸锶，所述碱金属盐为碱金属盐酸盐。

优选地，所述掺杂铈酸锶中还掺杂有锆；

所述正三价稀土元素以M表示，选自Y³⁺、Lu³⁺、Eu³⁺及Tm³⁺任意一种，所述掺杂铈酸锶的化学组成为SrCe_(1-x-y)Zr_xM_yO_3-α，其中，0.20≤x≤0.60，0≤y≤0.20，0≤α≤0.1。

本发明的第二方面，还提供一种制备上述掺杂铈酸锶-碱金属盐复合电解质的方法，其中，所述方法包括以下步骤：

1)将掺杂铈酸锶与碱金属盐混合、压制，得到复合物前体；

2)煅烧步骤1)得到的复合物前体，制得掺杂铈酸锶-碱金属盐复合电解质。

根据本发明提供的一种高稳定性掺杂铈酸锶/铈酸锆-碱金属盐复合电解质及其制备方法，具有以下有益效果：

(1)本发明中所述掺杂铈酸锶中掺杂有锆，通过用Zr部分取代Ce可以改善掺杂SrCeO₃材料的化学稳定性，从而获得具有较高电导率和良好化学稳定性的质子导体。