[发明专利]一种质子-氧离子混合导体电解质制备方法、产品以及电池

说明书

本发明提供了一种质子‑氧离子混合导体电解质制备方法、产品以及电池，属于固体氧化物燃料电池领域，先制备质子‑氧离子混合导体阳极支撑体生胚，再在质子‑氧离子混合导体阳极支撑体生胚上附着电解质浆料，然后将两者烧结形成质子‑氧离子混合导体电解质，其中，质子‑氧离子混合导体阳极支撑体生胚包括NiO、BZCYYb和SDC，电解质浆料包括SDC与BZCYYb。本发明还提供了按照以上方法制备获得的质子‑氧离子混合导体电解质以及电池。本发明方法可以降低制备过程的烧结温度，并且能实现阳极的原位加湿，最终能降低固体氧化物电池的生产、运行成本。

技术领域

本发明属于固体氧化物电池领域，更具体地，涉及一种质子-氧离子混合导体电解质制备方法、产品以及电池。

背景技术

为积极响应国家的政策号召与科技布局，早日实现碳达峰、碳中和的目标，新型清洁能源技术的研发、推广显得至关重要。在众多新能源器件中，固体氧化物燃料电池(solidoxide fuel cell，SOFC)因其高效、稳定、安静、环保等优势受到了广泛的关注与深入的研究。SOFC可将化学能一步转化为电能，图1所示为利用氢气作为燃料气进行放电反应时电池总反应，电池总反应为：H₂+1/2O₂→H₂O，具体如，其反应产物仅有H₂O，因而对生态环境十分友好。

传统SOFC为氧离子导体型，其工作温度通常在600～850℃。较高的温度能够实现较高的能量转换效率，但同时也为器件的实际生产、推广、应用、维护带来艰巨的挑战。为此，人们致力于将SOFC的工作温度降至中低温范围(500～600℃)，以期扩大电池关键材料的选择范围并延长其使用寿命，同时也降低对其进行维护的时间与经济成本。质子导体型SOFC(H-SOFC)应运而生，图2为质子导体型SOFC利用氢气作为燃料气进行放电反应时电池总反应，其优势主要在于：1)在低温范围内，质子导体电解质材料具备更高的离子电导率与更低的欧姆电阻，于H-SOFC运行中的电解质电势损耗更低，能量转换效率更高；2)在H-SOFC体系中，水作为生成物存在于阴极侧而非阳极侧，因此可以避免阳极中大量水汽所致的Ni颗粒氧化/团聚，进而提升阳极的长期工作稳定性；3)阴极一侧的水汽可以及时地稀释电解反应生成的高纯氧，从而提升器件的工作安全性。

然而，目前H-SOFC关键材料的发展可谓方兴未艾。其中，催化氧还原反应的阴极大多仍沿用传统氧离子导体型SOFC的材料体系，并在此基础上发展出了具备三重导电特性(质子、氧离子、电子)的BaCoO₃基钙钛矿氧化物，如BaCo_0.4Fe_0.4Zr_0.1Y_0.1O_3-δ等阴极材料大多可以满足低温H-SOFC的性能需求。而可供选用的电解质与阳极材料选择较为有限，质子导体电解质中应用最为广泛的材料为掺杂的BaCeO₃基钙钛矿氧化物BaZr_0.1Ce_0.7Y_0.1Yb_0.1O_3-δ(简称为BZCYYb)，该材料具备较为优异的质子导电性，但其较弱的烧结活性对电池的制备构成较大的挑战。O’Hayre等人的研究表明，H-SOFC的电解质-阳极半电池部分需要在1600℃以上的高温下共烧而成，而过高的烧结温度不利于多孔电极的微观结构，这也是H-SOFC制备工艺上与结构稳定性上所面临的一个关键问题。H-SOFC的阳极材料一般为电解质-金属Ni的复合体系，其中，应用最为广泛的阳极为BZCYYb-Ni，如前所述，H-SOFC中水作为反应产物仅存在于阴极一侧，阳极不涉及到电池反应中的水汽，然而，完全干燥的环境并不利于阳极的反应活性，因此在H-SOFC的实际运行过程中通常要往阳极的气路中进行较低程度的加湿处理(～3％)，这势必会增加电池外部气路与控制系统的复杂性。

因此，需要开发一种新型的电极材料，以克服上述的一系列问题。

发明内容