[发明专利]一种低热膨胀系数的复合电极材料及制备方法与应用

说明书

本发明提出了一种低热膨胀系数的复合电极材料及制备方法与应用。本发明采用负膨胀系数组分与钴基电极组分进行复合，在热循环的过程中负膨胀系数组分的负膨胀效应能够起到缓冲电极过度膨胀，有效降低了钴基电极组分的膨胀系数，从而使电极和电解质的结合更加紧密，进一步提升了电池的性能和循环稳定性。本发明的复合电极有效克服现有的因热膨胀不匹配导致的氧电极开裂或脱落问题，对于推进固体氧化物燃料电池/电解池商业化推广具有积极意义。

技术领域

本发明涉及燃料电池/电解池技术领域，尤其涉及一种低热膨胀系数的复合电极材料及制备方法与应用。

背景技术

钴基电极材料具有较高的氧催化活性，是目前固体氧化物燃料电池(SOFC)和电解池(SOEC)中应用最为广泛的电极材料，如镧锶钴(LSC)、镨钡钴(PBC)、钆钡钴(GBC)和钕钡钴(NBC)等等。尽管钴基电极材料电催化性能优异，但是钴离子自旋状态的改变会导致这类材料的热膨胀系数变大，通常大于20×10^-6k^-1，而常见电解质组分如氧化钇稳定氧化锆(YSZ)和氧化钆稳定氧化铈(GDC)通常为10×10^-6k^-1，这种热膨胀系数的不匹配会对完整电池产生危害，例如，在电池长期的运行过程之中，发生电极材料与电解质的分层和剥落；电池在高温运行过程中，电极材料由于热应力的作用产生裂纹等问题，这些问题的存在均会导致电池性能的衰减。

为了解决这一热膨胀不匹配问题，目前主要有以下几种策略：1、在钴基电极组分中掺杂一些过渡金属离子；2、减少钴的含量；3、在钴基电极组分中复合一定量的电解质材料。但是上述方案在降低膨胀系数的程度上是有限的，而且可能会对电极的催化活性造成负面影响。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出了一种低热膨胀系数的复合电极材料及制备方法与应用。

第一方面，本发明提出了一种低热膨胀系数的复合电极材料，该复合电极材料包括钴基电极组分和负膨胀组分，所述负膨胀组分包括锰酸钕、钼酸磷锆、钨酸磷锆和钨酸锆中的至少一种。

本发明中，通过向钴基电极组分中复合负膨胀组分，有效的降低了钴基复合电极材料的热膨胀系数，使其能够更好的与电解质结合，进一步提升电池的稳定性和输出性能。

作为本发明的具体实施方式，所述负膨胀组分与钴基电极组分的重量比为(5～60):(95～40)；优选为(30～50):(50～70)。

作为本发明的具体实施方式，所述复合电极材料由负膨胀组分与钴基电极组分进行纳米尺度复合得到。

作为本发明的具体实施方式，所述复合电极材料粒径为50-200nm。

作为本发明的具体实施方式，所述钴基电极组分包括镧锶钴(La_0.6Sr_0.4CoO₃)、镨钡钴(PrBaCo₂O_5+δ)、钆钡钴(GdBaCo₂O_5+δ)、钕钡钴(NdBaCo₂O_5+δ)、镧钡钴(LaBaCo₂O_5+δ)、钐钡钴(SmBaCo₂O_5+δ)中的至少一种。

第二方面，本发明提供了一种低热膨胀系数的复合电极材料的制备方法，将所述负膨胀组分与所述钴基电极组分进行纳米尺度的复合。

作为本发明的具体实施方式，包括采用溶胶凝胶法，将负膨胀组分与钴基电极组分进行纳米尺度的复合；所述复合电极材料粒径为50-200nm。

作为本发明的具体实施方式，采用溶胶凝胶法，将负膨胀组分与钴基电极组分进行纳米尺度的复合，包括以下步骤：