[发明专利]一种陶瓷电解质材料及其制备方法

说明书

本发明属于激光加工技术和能源材料领域，具体为一种快速激光烧结合成固态电解质及其制备方法。具体为：固态电解质的化学式为A₂B_xO_y(2≤x≤10，7≤y≤20，且0≤y/x≤3.5)，其中A为Sm、Sc、Y、La、Nd、Eu、Gd、Dy、Er、Yb、Lu等稀土元素，B为Ti、Zr、Ce和Hf。本发明获得的固态电解质具有结构稳定、离子电导率高的特点，同时解决了传统陶瓷结构电解质烧结困难、粉体易团聚的问题，制备方法工艺简单，原料利用率高，能耗低，无污染。

本发明属于激光加工技术和能源材料领域，具体涉及一种快速激光烧结合成固态电解质及其制备方法。

背景技术

随着传统化石能源的不断消耗和环境问题的日益严重，以燃料电池、锂离子电池为代表的新能源装置不断涌现。固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。在所有的燃料电池中，SOFC的工作温度最高，属于高温燃料电池，不但具有较高的发电效率，同时也具有低污染的环境效益。SOFC由三个主要部分组成：阴极（空气电极）、阳极（燃料电极）和电解质（阴极和阳极之间的离子导电膜），其中电解质是一种致密的、通离子阻电子的固体氧化物材料，SOFC的基本工作原理是，在阳极一侧持续通入燃料气，如：氢气(H₂)、甲烷(CH₄)、城市煤气等，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通入氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得O₂得到电子变为O^2-，在化学势的作用下，O^2-进入固体电解质氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极，在外电路对电器设备进行供电。

固体电解质不仅起着在阴、阳两极之间传导离子的作用，还能隔离阳极燃料气体和阴极氧化气体。良好的固体电解质具有如下特点：(1)具有阻隔电子导通离子的作用；(2)高温及氧化还原气氛中的物理和化学稳定性、结构和尺寸稳定性；(3)与电池阴阳极材料、连接体材料具有良好的热机械匹配性和化学兼容性；(4)结构致密；(5)易于大规模加工、性能优异、制造成本低。目前研究比较多的SOFC电解质材料主要有晶体类型为萤石型的ZrO₂基、CeO₂基、Bi₂O₃基固体电解质材料和晶体类型为钙钛矿型的LaGaO₃基固体电解质材料。近年来，烧绿石结构的稀土锆酸盐电解质具有良好的离子电导率而受到研究者的广泛关注，锆基烧绿石体系氧化物(Ln₂Zr₂O₇, Ln=La, Nd, Gd, Sm等)在中温400-800℃时的离子电导率尽管超过了氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)，但其离子导电率仍需要进一步研究和提高，另一方面稀土锆酸盐是一种采用传统固相反应方法较难合成的材料，对设备、合成条件要求高。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新型固体氧化物燃料电池用固态电解质及一种简单高效的固体电解质制备方法，以解决现有技术中所存在的上述问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种陶瓷电解质材料，其分子通式为A₂B_xO_y，其中，A为Sm、Sc、Y、La、Nd、Eu、Gd、Dy、Er、Yb和Lu中的至少一种，B为Ti、Zr、Ce和Hf中的至少一种，2≤x≤10，7≤y≤20，且0≤y/x≤3.5。

一种如前述的陶瓷电解质材料的制备方法，其包括如下步骤：