[发明专利]制造具有多孔金属层的电化学装置的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本PCT申请要求2010年4月9日提交的临时美国专利申请序列号61/322,361的优先权，其标题为Method of Making Electrochemical Device with Porous Metal Layer(制造具有多孔金属层的电化学装置的方法)，该临时申请的内容全文通过引用结合到本文中，仿佛在本文中完全阐述。

政府支持的声明

本文描述和要求保护的发明部分根据美国能源部(U.S. Department of Energy)和加州大学评议会(Regents of the University of California)关于劳伦斯伯克力国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)管理和运营的合同号DE-AC02-05CH11231用美国能源部提供的资金作出。政府拥有本发明的某些权利。

发明背景

发明领域本发明涉及制造包含多孔金属层和含陶瓷层的分层结构的改进方法。这些分层结构应用于高温电化学装置和过滤。

背景技术

在本领域已知的大多数高温电化学装置包含提供机械支撑、电流收集或电化学功能性的多层。相邻层一般包含在高温焙烧期间通过化学接合、扩散接合或烧结而结合的材料。这允许多个颗粒层容易地在生态(green state)组合，即通过层压、共挤出、丝网印刷、气溶胶喷涂等。层间的明显界面是可以接受的，因为在焙烧期间层以接合方式相互作用。在烧结期间达到层间的强力接合。例如，一般的固体氧化物燃料电池(SOFC)包含Ni-YSZ阳极、YSZ电解质和LSM(亚锰酸锶镧)-YSZ阴极。所有三层含有YSZ(氧化钇稳定化的氧化锆)，因此在焙烧期间达到层间的烧结接合。

期望用多孔金属为高温电化学装置提供机械支撑和电流收集。包含多孔金属的电化学装置的适合结构在US 6,605,316中提供。与主要包含陶瓷或金属陶瓷材料的电化学装置比较，使用金属降低材料成本，同时极大提高强度。尽管有这些显著益处，但结合多孔金属和电化学活性层存在额外挑战。一般在金属/陶瓷界面不存在化学接合、扩散接合和烧结接合，因此，在多孔金属和电化学活性层之间的接合依赖于机械接合(即，通过界面材料的穿透、表面粗糙度等，例如12/13/2009提交的共同拥有且同时待审的美国专利申请SN 12/664,646所述)。因此，多孔金属层和相邻层之间的明显界面一般不可接受。这限制制造的容易性和适合的制造方法的选择。

制造包含多孔金属的电化学装置的很多方案在本领域已知。一般，形成多孔金属结构，随后在金属结构上沉积电化学活性层，或者使金属结构结合到电化学活性层。金属结构通过蚀刻、穿孔或激光钻孔金属预型件或烧结金属粉末等预制。预制金属结构增加制造包含多孔金属的电化学装置的复杂性和花费。

因此，仍需要制造包含多孔金属层和含陶瓷层(多孔或致密)的分层结构的简化、成本有效的制造途径。

发明概述

应了解，在整个说明书中，“多孔”用于描述在焙烧后保持多孔的层，“致密”用于描述在烧结后气密的层(致密层在生态或在素烧后多孔，并且只在烧结后致密化)。“气密”描述没有连接层一侧与另一侧的开放通道的材料层。液体或气体型介质均不能在标准大气条件下穿透该层。

一方面，本发明涉及制造包含多孔金属层和含陶瓷层的高温电化学装置的方法。该结构包含包括至少一个多孔金属层和至少一个多孔或致密含陶瓷层的金属、陶瓷或金属陶瓷的多层。通过穿透和机械锁定，多孔金属紧密接合到结构的其余部分。结构可以很薄，因此如果自立就易弯曲。在一个实施方案中，结构是对称的，这使得在烧结期间具有最小限度的扭曲。该方法包含将松散的金属颗粒施加到装置的相邻含陶瓷层上然后烧结。以此方式，金属层从不自立或自支撑。这允许制造很薄和/或很多孔的金属层。