[发明专利]一种固体氧化物电池超薄致密电解质的制备方法以及由此得到的超薄致密电解质

说明书

本发明提供一种固体氧化物电池超薄致密电解质的制备方法，其包括将电解质粉体、金属有机框架材料、分散剂、粘结剂、增塑剂和溶剂混合，得到混合电解质浆料；对混合电解质浆料进行研磨，获得研磨电解质浆料；采用丝网印刷方法，将研磨电解质浆料均匀印刷在半电池生胚上后，逐渐升温至1200℃～1400℃进行排胶烧结，得到超薄致密电解质。本发明还提供一种通过上述制备方法得到的超薄致密电解质。根据本发明的固体氧化物电池超薄致密电解质的制备方法，在相对较低的烧结温度下获得超薄致密电解质层，节约了能耗成本。根据本发明的制备方法，烧结温度降低，可以实现电解质、功能层和氢电极的三电极共烧，简化了工艺流程。

技术领域

本发明涉及固体氧化物电池，更具体地涉及一种固体氧化物电池超薄致密电解质的制备方法以及由此得到的超薄致密电解质。

背景技术

固体氧化物电池(SOC)作为一种全固态的能量转换装置，能够实现化学能和电能互转，具有能量转化效率高、环境友好、噪音低和可靠性强等优点，被认为是最有应用前景的能量转换装置。氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)是应用最广的SOC电解质材料，具有抗氧化还原的稳定性好，廉价易得，并且在高温下具有足够高的氧离子导电率、良好的化学稳定性和机械性能。

目前已经商业化的SOC的工作温度一般是700℃～900℃之间，较高的工作温度在电池运行过程中会促进电池各部件的相互反应和扩散，降低电池的使用寿命，同时对电极材料和连接件等材料的性能提出了更高的要求，造成生产成本上升，影响了SOC的商业竞争力。

因此SOC目前正朝着低温下运行的方向发展(600℃～800℃)。但是低温下，YSZ的电导率迅速下降。需要通过减少YSZ电解质薄膜的厚度得以解决。现有技术中，流延法得到的电解质层厚度通常为12μm～3mm，丝网印刷法得到的电解质层厚度可达～10μm，但是当需要进一步降低电解质层的厚度时，会使其致密性下降，气密性难以保证，如图1A和图2A所示。另一方面，电解质烧结温度过高，不能与功能材料、电极一起烧结，并且容易导致多孔氢电极孔隙率降低，导致工艺复杂，成本过高。因此在相对低温下制备超薄且致密的电解质层是提高SOC性能的关键技术。

发明内容

为了解决上述现有技术中的固体氧化物电池中电解质薄膜低温制备易开孔漏气且高温烧结制备易损伤功能层等问题，本发明提供一种固体氧化物电池超薄致密电解质的制备方法以及由此得到的超薄致密电解质。

本发明提供一种固体氧化物电池超薄致密电解质的制备方法，其包括如下步骤：S1，将电解质粉体、金属有机框架材料(MOFs)、分散剂、粘结剂、增塑剂和溶剂混合，得到混合电解质浆料；S2，对混合电解质浆料进行研磨，获得研磨电解质浆料；S3，采用丝网印刷方法，将研磨电解质浆料均匀印刷在半电池生胚上后，逐渐升温至1200℃～1400℃进行排胶烧结，得到超薄致密电解质。

优选地，步骤S1中的电解质粉体为氧化锆基、氧化铈基、氧化钡基固体电解质中的至少一种。在优选的实施例中，该电解质粉体为YSZ粉体、氧化铈粉体或氧化钡粉体。

优选地，步骤S1中的电解质粉体在混合电解质浆料中占30wt％～65wt％。

优选地，步骤S1中的金属有机框架材料中的金属元素为二价金属、三价金属或四价金属，例如过渡金属Gr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr中的至少一种。在优选的实施例中，该金属有机框架材料为Fe-MOF、Co-MOF或Ni-MOF。

优选地，步骤S1中的金属有机框架材料的量是电解质粉体的0.05mol％～10mol％。更优选地，金属有机框架材料的量是电解质粉体的1mol％～5mol％。

优选地，步骤S1中的分散剂为冰乙酸、三乙醇胺、聚氧化乙烯中的至少一种。更优选地，分散剂的量是电解质粉体的0.5wt％～5wt％。