[发明专利]一种氮化硼氢离子导体电解质材料及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及电子信息领域及新型材料技术领域，提供了一种新型氮化硼氢离子导体电解质材料及其制备方法与应用，能够实现更快的氢离子传输，从而作为一种更高能量密度的新型电解质材料，涉及和影响相关燃料电池或其他电化学装置的制造；本发明制造的电解质材料，不仅可集成度高，可解决微机电系统中电源功率不达标等问题，也可以为大型电化学装置或者能源设备关键零部件材料提供新的思路。本发明采用氮化硼作为燃料电池的电解质材料，具有良好的电绝缘性、导热性、耐化学腐蚀性等优点，同时成本低廉，制造工艺成熟，容易制得，作为商业化用途很有展望。

技术领域

本发明涉及一种新型氢离子导体电解质材料及其制备方法与电化学装置应用，属于新型材料领域和电子信息领域。

背景技术

当前，不管是用于随机存储器、微机电系统等的微型集成电源还是移动燃料电池乃至分布式发电能源或其它相关电化学装置，都对其动力源的性能指标提出了更高的要求。

燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置，具有能量转换效率高、结构简单、清洁等优点，并且燃料电池发电不像热机，并不受卡诺循环的限制。

电池具有高安全、长寿命和高度集成化等优点，成为系统集成电源的最佳选择。然而，燃料电池的低能量密度是限制其广泛应用的主要瓶颈，而且目前已开发的电池材料体系较为单一，并且成本昂贵。如果能够提出一种新型电解质材料应用到电池中，有望从材料本质上提升器件性能以满足其实用需求。

传统观念认为电化学主要研究电能和化学能之间的相互转换，如电解和原电池。但电化学并不局限于电能出现的化学反应，也包含其它物理化学过程，如金属的电化学腐蚀，以及电解质溶液中的金属置换反应。电化学在新时代应用广泛，给生活带来了极大的便利。

电化学是唯一以大工业为基础的学科。它的应用分为以下几个方面：电解工业；机械工业要用电镀、电抛光、电泳涂漆等来完成部件的表面精整；环境保护可用电渗析的方法除去铬离子等污染物；化学电源；金属的防腐蚀问题，大部分金属腐蚀是电化学腐蚀问题；许多生命现象如肌肉运动、神经的信息传递都涉及到电化学机理等，因此应用电化学原理发展起来的各种电化学分析法已成为实验室和工业监控的不可缺少的手段，其相关电化学装置的效率问题也是至关重要。

已有研究表明，氢离子可以在升温下垂直穿透单原子层氮化硼，同时我们通过DFT计算验证了氢离子在氮化硼表面的迁移，因此这对于新型氢离子导体电解质材料提供了新思路。

同时，氮化硼具有良好的电绝缘性、导热性、耐化学腐蚀性和润滑性，并且几乎对所有的有机溶剂及腐蚀性化学物质都是相对稳定的；对几乎所有的熔融金属都呈化学惰性。在空气中1000℃以下，各种物理化学性质基本保持不变；在氮气或氩气中使用温度3000℃仍然稳定。易于机械加工，耐温可高达2000℃。所以，氮化硼的化学性质是极其稳定的，并且非常符合电解质材料的特性。

鉴于氮化硼的化学性质很稳定，氮化硼微溶于热酸，一般氮化硼都是直接添加使用，很少溶解后再使用；氮化硼在常温条件下不溶于绝大多数已知的有机溶剂，它和氮化硅一样只能微溶于加热的HF或者浓氟化钠溶液中，因此可以利用硅基板或者光敏微晶玻璃作为衬底，用氢氟酸低温将其衬底刻蚀掉，以此得到氮化硼作为新型电解质材料的高能量密度微型燃料电池。

除了微型燃料电池领域，还有更大功率的移动燃料电池以及分布式能源系统和其他相关电化学装置等应用，虽然涉及到的制造技术不同，但是氮化硼作为一种新型电解质材料也为其后续发展提供了新的方向。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种氮化硼氢离子导体电解质材料及其制备方法与应用，发现氮化硼是一种高性能氢离子导体，可构成一种新型燃料电池或者其他电化学装置，具有超高能量密度，以解决燃料电池或相关电化学装置电解质氢离子传输慢、能量密度低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：