[发明专利]基于络合-冷冻干燥法合成电解质粉体的方法及得到的电解质粉体

说明书

本发明公开了基于络合‑冷冻干燥法合成固体氧化物燃料电池电解质粉体的方法及得到的电解质粉体，属于电解质合成领域。本发明的合成方法，在合成氧离子传导的萤石结构氧化铈基电解质粉体时，将柠檬酸和甘氨酸作为络合剂，两种络合剂的络合能力、燃点与燃烧热不同，通过调节双络合剂的比例和总量可以对总金属离子浓度和热处理时的放热过程进行控制，在60‑90℃搅拌，得到金属离子络合物溶液，之后进行冻结和冷冻干燥，得到金属离子络合物的干骨架，进行热处理，得到纯相的氧化铈基电解质粉体，由于甘氨酸的加入能够充当燃烧剂，在加热温度超过燃点后可发生燃烧，成相温度得到降低；本发明的合成方法，合成过程中无需调节溶液pH值，极大地降低了粉体的成相温度，有助于粉体烧结活性的提升。

技术领域

本发明属于电解质合成领域，尤其是基于络合-冷冻干燥法合成固体氧化物燃料电池电解质粉体的方法及得到的电解质粉体。

背景技术

固体氧化物燃料电池直接将燃料和氧化剂的化学能通过电化学反应转换为电能，是效率最高的发电装置之一，具有积木性强、燃料适应范围广、对环境友好等特点，具有广阔的应用前景。

固体氧化物燃料电池单体由阳极、电解质和阴极三部件组成，其中，电解质起着传导离子、隔离燃料气和氧化气的作用，电解质材料是燃料电池中最重要的部件材料。在进行固体氧化物燃料电池设计及制备过程中，往往需要先确定该电池的工作环境及对应所使用的电解质材料，之后确定的阳极、阴极以及连接体等部件材料都是围绕着工作环境与电解质材料进行选取和配制的。电解质的离子传导过程也是产生欧姆极化的主要来源。电解质的性能很大程度上决定了固体氧化物燃料电池的性能。如何批量低成本地获得高品质的电解质粉体成为固体氧化物燃料电池研究与开发的核心问题之一。固体氧化物燃料电池电解质材料的常见合成方法有如下几种：固相反应法、燃烧合成法、共沉淀法、溶胶-凝胶法。固相反应法具有制备成本低，步骤简单的优点，但是在粉体合成过程中容易引入杂质，成相温度较高，导致粉体粒径较为粗大，烧结活性和电导率性能都比较低。溶胶-凝胶法合成的粉体颗粒均匀细腻，有较好的性能，但是其合成方法繁复，成本高，产量低；燃烧法合成的粉体非常蓬松，堆积密度低，经常被用来制备非常极薄的电解质薄膜，但是燃烧法合成的粉体收集困难，产量低并且存在燃烧反应不能均匀进行的缺点。共沉淀法合成过程中，沉淀前后溶液前后pH值有很大的变化，会影响粉体的均匀性和一致性，单次合成量过少，难以实现大批量合成制备。而固体氧化物燃料电池要进行产业化发展，就必须要解决大批量合成优质电解质材料的技术问题。

冷冻干燥法是一种新型的粉体合成方法，环境友好，物理过程简单，可以实现高浓度前驱体溶液配制，批量化制备高性能粉体。采用冷冻干燥法合成的纳米粉体，具有形貌规则、硬团聚少、粒径小且均匀、化学纯度高、化学均匀性好、烧结温度低、重复性好等优点。当前，采用冷冻干燥法合成粉体，一般只使用单一络合剂络合金属离子，然后将冷冻干燥得到的前驱体热处理至发生自燃得到粉体；或者采用调节pH的方法将金属离子沉淀，然后冷冻干燥并热处理制粉。

发明内容

本发明的目的在于克服利用冷冻干燥法批量生成固体氧化物燃料电池电解质粉体时金属离子易析出造成粉体均匀性差的缺点，提供基于络合-冷冻干燥法合成电解质粉体的方法及得到的电解质粉体。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于络合-冷冻干燥法合成固体氧化物燃料电池电解质粉体的方法，用于合成氧离子传导的萤石结构氧化铈基电解质粉体，包括以下步骤：

1)按照氧化铈基电解质材料组成的化学计量比，称取相应的水溶性金属盐，将其溶于去离子水，得到混合金属离子溶液；

2)将络合剂柠檬酸与甘氨酸加入到上述混合金属离子溶液中，得到前驱体溶液，将前驱体溶液在60-90℃下不断搅拌，得到金属离子络合物溶液；

其中，金属离子络合物溶液中总金属离子浓度为0.5-2.5mol·L^-1；

3)将金属离子络合物溶液进行冷冻，直至全部变为固态；