[发明专利]一种低温烧结8YSZ电解质的方法

说明书

本发明公开了一种低温烧结8YSZ电解质的方法，首先制备Fe₂O₃掺杂的8YSZ粉末，通过引入硝酸钇溶液进行冷烧，然后在1000~1100℃下烧结，得到了致密的稳定性好的8YSZ电解质，其具有良好的导电率。本发明工艺步骤简单，重复性好，易于操作，主要应用作于固体氧化物燃料电池的制备。

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池领域，具体涉及一种低温烧结8YSZ电解质的方法。

背景技术

8YSZ是目前用于SOFC的最成功的电解质材料。8YSZ在较宽的氧分压范围内有较高的离子电导率，化学稳定性好，机械强度高，是SOFC中普遍采用的电解质材料。除此之外，ZrO2固体电解质陶瓷具有良好的机械性能，优秀的耐氧化性和耐腐蚀性以及不与电极材料反应等优点，使其成为制作氧传感器、固体氧化物燃料电池等的首选材料。通常8YSZ电解质的烧结温度要高于1400 ℃，烧结后晶粒尺寸较大，不利于其热稳定性。因此在较低的烧结温度下得到致密的8YSZ电解质成为研究热点。

冷烧是一种在极低的温度下获得致密陶瓷的新型烧结工艺，冷烧50~500 MPa的外部压力的帮助下需要临时的液体环境，合适的液体介质可润湿颗粒界面以溶解颗粒边缘，同时促进颗粒重排，从而提高陶瓷块密度。因此通过冷烧技术有望大大降低陶瓷的烧结温度。Guo等人采用以水为介质的冷烧工艺，使得8YSZ的烧结温度降低至1200 ℃，但会产生少量单斜相。另外，添加烧结助剂也是一种有效的降低烧结温度的方法。通过添加Fe₂O₃等添加剂也能使烧结温度降低至1200~1300 ℃。本发明通过采用硝酸钇溶液作为冷烧介质，并通过掺杂Fe₂O₃，实现8YSZ电解质在1100 ℃以下的致密烧结。

发明内容

为了降低8YSZ电解质的烧结温度，提高电解质的稳定性，本发明提供一种低温烧结8YSZ电解质的方法，利用金属氧化物作为烧结助剂，同时在烧结过程中引入硝酸钇溶液进行冷烧辅助烧结，使8YSZ保持稳定立方相，避免单斜相的产生，从而在较低的烧结温度下得到稳定性较好，较致密的8YSZ电解质。

为了实现上述的技术目的，本发明的技术方案为：

一种低温烧结8YSZ电解质的方法，包括以下步骤：

（1）将粒径为20-100nm的8YSZ粉体与Fe₂O₃粉体加入到的球磨罐中，在混合料中加入球磨介质进行快速球磨2 h，球磨结束后，将混合料烘干，然后再将混合料放入研钵内进行研磨和过筛。

（2）往Fe₂O₃掺杂的8YSZ纳米粉体加入硝酸钇溶液（浓度为1~3 mol/L），于研钵中充分研磨均匀制得电解质原料，将原料粉放入磨具中压平。

（3）在100~150 ℃温度下施加200~400 MPa压力压制成型，保压20~40分钟，得到电解质生坯。

（4）将上述电解质生坯置于马弗炉中于1000~1100 ℃烧结1~4 h得到致密的8YSZ电解质。

上述步骤（1）中，Fe₂O₃粉体的质量分数为2~8 %。

上述步骤（2）中，加入硝酸钇溶液的重量为Fe₂O₃掺杂的8YSZ纳米粉体重量的10~30%。