[发明专利]一种多孔性次毫米层与高致密性复合微米层连接的多层结构复合块材的制备方法

说明书

本发明公开了一种多孔性次毫米层与高致密性复合微米层连接的多层结构复合块材的制备方法，包括制备次毫米厚度的陶瓷生胚，烧结成多孔状次毫米厚度的陶瓷基板；在多孔状次毫米厚度的陶瓷基板上形成致密化金属氧化物薄层；然后在形成下层易还原成金属态的致密化金属氧化物薄层完全包覆次毫米多孔层；再制备微米级高度致密化的氧化物/盐类复合层；抛光移除部分易还原成金属态的致密化金属氧化物薄层，形成毫米多孔层/易还原成金属态的致密化金属氧化物薄层/高致密复合体层；最后进行还原处理，将易还原成金属态的致密化金属氧化物薄层变为多孔性结构。该方法制备的多孔块材可以作为电解质基板使用时可提高电池的运转效能，并且可以降低成本。

技术领域

本发明涉及多元结构与材料复合化的工艺制备技术领域，具体涉及一种多孔性次毫米层与高致密性复合微米层连接的多层结构复合块材的制备方法。

背景技术

SOFC (solid oxide feul cell) 的技术在发电领域上相当具有潜力。因为电池组件的成分主要是由稳定的氧化物组成，所以运转温度可以安定在650-1000°C下使用，且不需昂贵的白金材料作为触媒转换，使得做为催化用途的阴、阳极材料制造成本能够较为低廉。使用SOFC作为发电系统的优势包括，发电效率高，所以使用过程中NO_x、SO_x和HC等污染物的排放量相对较少，使得产生的CO₂较容易被收集。另外，可以作为SOFC燃料的种类很多元，像是天然气、CO、H₂、甲醇和煤气，甚至可以利用可燃性废气等多种燃料。SOFC利用本身的高温运作环境，进行内部燃料重整，可使系统简化。在输出功率0.3 W/㎝²以上，发电效率可达50 - 60%，SOFC排出的高温尾气与涡轮机构建高效率的联合发电系统，发电效率更达到90%以上。此外，目前市面上的锂离子电池使用的是高分子电解液或离子液体又或是含磷难燃性的电解液，需要使用隔离膜来隔开电解液和电极部分，所以隔离膜的热稳定性对电池安全性，也有重要影响，目前一般最常用聚乙烯(PE)，其耐热温度约在120~130℃间，若是操作温度超过130℃，会造成PE隔离膜熔穿、热缩现象，使正负极出现短路。因此如果将目前锂离子电池所使用的电解液改成无机固态锂离子导体，便能够移除隔离膜的部分也解决了电解液可能外漏及腐蚀的疑虑，提高安全性。此外若能有效提高锂离子导电度与锂离子浓度是无机固态锂离子导体取代传统锂离子电池电解质系统的关键因素。

SOFC电解质氧化物与碳酸盐类结合而成的复合电解质材料，因为具备O^2-、H⁺ 与CO₃^2- 三种离子在电解质材料中移动的特性，在500°C以下展现出相当于8YSZ在750 - 800°C的导电度量测值，10^-2 S/cm，如图4所示。

目前SOFC的商用电池片主要使用Elcogen公司生产的NiO-8YSZ//8YSZ//GDC//LSC单元电池的电解质厚度仅仅约5 μm。而其单元电池的功率量测于600 – 850°C的功率密度量测结果分别为600°C，约400 mW/cm² (0.6 V)；650°C，约550 mW/cm² (0.8 V)；700°C，约600 mW/cm² (0.85 V)。然而SDC-C电解质厚度为200 μm的固态碳酸盐-氧化物复合燃料电池，NiO-SDC//SDC-C//LiNiO-SDC，取相同的测试电压0.85 V，在470°C量到的功率测试资料为40 mW/cm²。在此先不论量测的温度高低，仅就功率值来说，Elcogen电池片比低温型复合盐类燃料电池高出约15倍。不过换个角度来看，固态碳酸盐-氧化物复合燃料电池为ESC型，所以目前的电解质厚度为200 μm，而Elcogen电池片的电解质厚度仅5 μm。如图5，不同电解质厚度的复合盐类燃料电池对其所量测到的最大功率值的关系图可以观察到，电解质的厚度直接影响了电池运作的功率。若以两者成反比的关系来看，若将复合盐类燃料电池的电解质厚度降低至与Elcogen电池片一样5 μm，可以预测使用复合材料单元电池的系统确实呈现出发展中低温燃料电池的潜力。