[发明专利]一种中低温固体氧化燃料电池的A位掺杂K2NiF4型阴极材料

说明书

技术领域

本发明属燃料电池领域，具体涉及一种性能稳定、电子电导率、离子电导率高的A位掺杂的四方K₂NiF₄型La₂NiO_4+δ中低温固体氧化物燃料电池阴极材料。

背景技术

降低固体氧化物燃料电池运行温度，开发中低温固体氧化物燃料电池已成为目前固体氧化物燃料电池领域发展的主要趋势。但是随着温度的降低，传统阴极材料LSM(La_1-xSr_xMnO_3-δ)电化学催化活性迅速下降，极化电阻急剧增大。温度由1000℃降到500℃，极化电阻增大约2000倍。阴极作为SOFC重要组成部分，其欧姆损失占整个电池欧姆损失的60％，因此研究开发高性能阴极材料对于中低温固体氧化物燃料电池发展具有重要意义。作为中低温固体氧化物燃料电池阴极材料必须满足以下基本要求：在运行温度范围内具有较高的催化活性，高的电子电导率和离子电导率，良好的化学稳定性和热稳定性，及与电解质匹配的热膨胀系数。离子-电子混合导体材料因其扩大了的电化学反应区域，有效的降低了阴极极化损失，成为阴极材料研究的重点。目前研究最多是钙钛矿结构的离子-电子混合导体，主要以LSFC(La_1-xSr_xFe_1-yCo_yO_3-δ)，BSCF(Ba_1-xSr_xFe_1-yCo_yO_3-δ)基阴极材料为主，但上述材料并不能完全满足固体氧化物燃料电池对阴极材料的技术要求。LSFC在中低温时具有较高的混合电导率，但LSFC体系的热膨胀系数(14.6×10^-6～26.0×10^-6K^-1)远高于LSGM、GDC等新一代中低温型固体氧化物燃料电池电解质材料(11.5×10-6～12.5×10^-6K^-1)；以BSCF为阴极的固体氧化物燃料电池的性能有了较大提高，但该材料在中低温时电导率较小，热膨胀系数也远大于电解质。具有K₂NiF₄结构的La₂NiO_4+δ材料因其合适的热膨胀系数和较高的离子电导率，引起人们越来越多的关注。但该材料电子电导率较低，不能很好的满足阴极材料的需要(≥100S·cm^-1)。根据文献V.V.Kharton，et al，Oxygen ion transport in La₂NiO_4+δ-based ceramics，Journal of Material Chemistry，9(1999)：2623和V.Vashook，et al，Composition and conductivity of some nickelates，Solid StateIonics，119(1999)：23，通过对La₂NiO_4+δ进行A位或者B位的异价元素掺杂可以改善材料电导率。对于La₂NiO_4+δ体系，目前研究最多的是A位Sr掺杂的La_2-xSr_xNiO_4+δ，根据S.J.Skinner，J.A.Kilner，Oxygen diffusion and surface exchange in La_2-xSr_xNiO_4+δ，Solid State Ionics，135(2000)：709，Sr的掺入，在提高电子电导率的同时也使得非化学计量氧含量减少，从而影响材料的离子电导率。因此寻求一种新的A位掺杂，使之在不影响材料离子电导率的同时提高材料的电子电导率，并且可以降低材料成本，将会促进中低温固体氧化燃料电池的实用化进程。

发明内容