[发明专利]一种钙钛矿结构的电解质材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种钙钛矿结构的电解质材料，属于燃料电池以及燃料电解池技术领域。

背景技术

燃料电池是通过电化学反应将化学能转化成电能的能量转换装置，由于它将化学能直接转化为电能，而不像内燃机那样需要把化学能转化为内能和机械能之后再转化为电能，不受卡诺循环的限制，所以可以达到很高的能量转换效率。另外，燃料电池环境友好，不会释放氮化物或硫化物等有害气体，即使以碳氢化合物做燃料，发电量相同的情况下二氧化碳的排放量也比常规发电减少40%以上。固体氧化物燃料电池（以下简称SOFC）的优势在于其不但有其它燃料电池高效、环境友好的特点，而且其无机固态的电解质很稳定，没有液体电解质带来的材料腐蚀和电解质泄露问题。另外其不受低温燃料电池中必须使用纯氢燃料的限制，可以直接使用各种碳基燃料发电，很容易与现有能源资源供应系统兼容。所以SOFC是21世纪最有应用前景的绿色发电系统。

固体氧化物电解池（以下简称SOEC）是SOFC的逆过程，可以将水电解，在两极分别生成氢气和氧气。氢能是清洁能源，可来源于水，是最具前景的新能源。水的热解和光解由于效率极低（低于2%）不具有经济性，电解是目前最实际最有发展潜力的大规模制氢技术。SOEC的特点在于其转化效率高且电量需求小，同时可以与核能以及地热能结合起来进一步提高效率。此外，SOEC可以用作温室气体CO₂的吸收，将其转化为CO可燃气体，是解决碳排放问题的方案之一。

钙钛矿结构的LaSrGaMgO_3-δ（以下简称LSGM）因其在中低温下有较高的离子电导率及可以忽略的电子电导率，其氧离子迁移数及热膨胀系数在很宽的氧分压范围内（P_O2=1～10^-20atm)都几乎不受影响，在还原气氛中不易被还原且与很多种阴极、阳极都有很好的化学相容性等特点，是较为理想的中低温固体燃料氧化电池以及固体氧化物电解池的电解质。

目前，针对LSGM的改性工作主要集中在使用过渡元素Co、Fe、Ni等元素对钙钛矿的B位进行取代。其作用机理是通过这些元素的掺入，电解质材料变为空穴-氧离子共传导材料，所需激活能较低的空穴传导增加，从而提高材料总体的导电性能。但是这种改性引入了变价元素，会增加电解质的电子电导，从而降低电池的效率。

发明内容

本发明的目的是提出一种钙钛矿结构的电解质材料，对有应用潜力的LSGM电解质材料进行改性，以锂元素替代部分镁元素，得到一种性能明显优于已有LSGM的电解质材料LSGML。

本发明提出的钙钛矿结构的电解质材料，其化学式为La_1-aSr_aGa_1-b-cMg_bLi_cO_3-δ，其中a=0.01～0.2，b=0.01～0.25，c=0.01～0.2，δ=(a+b)/2+c。

本发明提出的钙钛矿结构的电解质材料，其优点是：

1、本发明提出的结构式为La_1-aSr_aGa_1-b-cMg_bLi_cO_3-δ的电解质材料，与已有技术中LSGM相比，取代元素锂离子带电量为+1，而镁离子带电量为+2，根据电价平衡可知，用锂元素对LSGM中的B位元素进行取代，会产生更多的氧空位浓度。另外锂元素的电负性小与镁元素，对氧离子的束缚较小，故可以降低整个材料体系的激活能，有利于氧离子的传导。所以，本发明提出的结构式为La_1-aSr_aGa_1-b-cMg_bLi_cO_3-δ的电解质材料与已有技术中的LSGM相比，有更高的氧离子电导率。

2、本发明提出的结构式为La_1-aSr_aGa_1-b-cMg_bLi_cO_3-δ的电解质材料，与已有技术中的LSGM的合成工艺一致，而且都保持了单相的钙钛矿结构，因此本发明的电解质材料的生产工艺和设备无需更新。

附图说明