[发明专利]一种高致密磷灰石型固体电解质材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种高致密磷灰石型固体电解质材料的制备方法，属于电解质材料制备技术领域。本发明技术方案采用氧化钆为原料制备复合材料对固体电解质材料进行添加，由于通过溶胶‑凝胶法制得了钆掺杂的固体电解质，且钆的掺杂不破坏磷灰石结构通过掺杂钆来提高电导率并不是通过改变磷灰石结构来实现的，主要是通过掺杂量的增加，晶粒度逐渐变小，其原因为钆离子的掺杂抑制了晶界的迁移，即随着钆掺杂量的增多，晶粒的长大过程所受的阻力增大，因此，晶粒的尺寸逐渐变小，材料结构性能变得致密，进一步改善材料的结构强度，同时由于钆掺杂量的增加，能够降低氧离子的跃迁势垒，从而提高氧离子传输速率，进一步提高固体电解质材料的电化学性能。

技术领域

本发明涉及一种高致密磷灰石型固体电解质材料的制备方法，属于电解质材料制备技术领域。

背景技术

作为人类发展过程中最重要的因素——能源，一直制约着人类的科技变革，对人类固体氧化物燃料电池的衣食住行等方面都有着巨大的影响，可谓与我们的生活息息相关。而时至今日，随着固体氧化物燃料电池资源、环境和气候问题的凸显，全球正在一步步的迈入新一轮的能源变革，过去的能源固体氧化物燃料电池开采、转化以及利用形式都在逐渐被淘汰，而新能源事业也正在悄然兴起。固体氧化物燃料电池燃料电池是继水利、火电以及核能后的第四代发电装置。相较于传统内燃机先将燃固体氧化物燃料电池料和氧化剂中的化学能先转化为热能，再进而转化为机械能及电能相比，燃料电池可以固体氧化物燃料电池在发电过程中，直接将燃料的化学能转化为电能，从而不受卡诺循环效应的限制。这大固体氧化物燃料电池大提高了能量转化率——高温固体氧化物燃料电池的热电联产效率可达80％。燃料电固体氧化物燃料电池池包括碱性燃料电池、磷酸电池、熔融碳酸盐电池、固体氧化物电池以及质子交换膜电固体氧化物燃料电池池)。

固体氧化物燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能通过电化学反应直接转化为电能的新型能量转化装置。这种装置因其全固态结构，燃料利用效率高而备受关注。固体氧化物燃料电池不但是一种相当高效的能源转化装置，也是一种非常清洁的能源装置：可将多种气体作为燃料，发电时很少排放出有害气体；具有全固态结构，没有传动部件，因此也没有噪声污染及常规电池电解质腐蚀的问题。因此，基于其全固态结构、燃料适应性强以及高功率密度的优点，另一方面，现阶段的燃料电池主要是高温燃料电池，即使用温度在800℃以上的燃料电池。这使得燃料电池启动较慢，且完整的高温燃料电池的连接体和封装材料都必须是陶瓷材料，这不但带来了难以运输加工的缺点，也使得此种燃料电池成本较高且使用寿命较短。因此，固体氧化物燃料电池的中低温化(400-800℃)是近年来的研究热点。寻找中低温下具有更高电导率的固体氧化物燃料电池电解质及电解质的薄膜化是现有研究的两个重要方向。固体氧化物燃料电池包括多孔阳极、氧化物电解质以及多孔阴极三层结构。固体氧化物燃料电池将燃料燃烧的氧化还原反应通过致密的电解质分离开，使得电子能有序的沿外电路转移，从而直接将燃料的化学能转化为电能。若以H₂作为燃料，其电化学反应原理可以归结为：在多孔阳极处通入H₂，燃料在电解质/电子导体的三相界面(TPB，即气相、离子导体和电子导体间的交界)，H₂在此界面处与从电解质中迁移过来的氧负离子反应，失去最外电子，电子沿着外电路流向阴极。阳极作为燃料电极，需要在很宽的温度范围内(从室温到工作温度)与电解质热-力学性能兼容。同时，阳极材料也应该是一种良好的电子导体，具有一定的催化活性及相容性，使得电阻损失降到最低。

燃料电池的中低温化是SOFCs发展的趋势，而MDLS因其具有较高的离子电导率、较低的活化能及与常用电极具有相匹配的热膨胀系数，而得到研究者的广泛关注。但LSO作为电解质，应用到燃料电池中，也遇到了一些问题：