[发明专利]利用脉冲激光沉积技术调控晶格应力制备固体氧化物燃料电池的方法

说明书

本发明公开了利用脉冲激光沉积技术调控晶格应力制备固体氧化物燃料电池的方法；该方法先制备NNO靶材，然后将NNO靶材固定于脉冲激光沉积仪真空腔室的靶材托；将单晶衬底YSZ固定在PLD样品托上，在真空条件下升温至590‐610℃；通入纯氧，0.8‐1.2Pa氧压中稳定0.4‐0.6h；溅射PLD靶材NNO氧化物，金属蒸汽沿激光法线方向依次沉积在单晶衬底YSZ上，调节激光脉冲数控制NNO氧化物薄膜厚度为9‐50nm；最后涂刷法涂刷阴极浆料。本发明通过对晶格应力的调控，制备的固体氧化物燃料电池的性能得到大幅提升，稳定性好；同时兼具有安全性好、成本低廉、环保污染少等优势。

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池，具体涉及一种利用脉冲激光沉积(PLD)技术调控晶格应力制备固体氧化物燃料电池的方法。

背景技术

能源消耗的不断增加反映了一个国家经济的增长。在过去的一个世纪，我们主要依赖于化石燃料，如：石油，煤，天然气等。然而传统化石燃料不可再生，转化率低，造成严重了的能源浪费，而且产生大量的大气污染物和温室气体，由此造成了各种的环境和经济问题。为了应对传统化石燃料的日益枯竭及其造成的日益严重的环境问题(温室效应、雾霾等)的严峻挑战，对新能源的研究、开发、利用迫在眉睫。并由此衍生了众多的能量转化与储存器件，固体氧化物燃料电池因其具有能量转换率高、燃料适用范围广，污染少等优势而受到研究者们的广泛关注。为此提高固体氧化物燃料电池的性能至关重要。

范宝安等(固体氧化物燃料电池YSZ电解质薄膜的制备方法概述，过程工程学报，2004年2月，第4卷第1期)公开了用利用脉冲激光沉积法制备电解质薄膜，而不涉及固体氧化物燃料电池的阳极的制备。尤其是该技术在多孔的NiO/YSZ基板上得到了YSZ电解质薄膜厚度为1～2mm。该技术通过PLD技术降低电解质厚度，从而提高固体氧化物燃料电池的性能，但该方法为达到厚度为1～2mm的电解质薄膜，需要数以小时的时间，成膜质量差，生产成本较高，不利于大规模工业化，且固体氧化物燃料电池的稳定性有待提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种薄膜生长周期短，电池的稳定性非常好，电池性能的提升的利用脉冲激光沉积技术调控晶格应力制备固体氧化物燃料电池的方法

本发明通过选择单晶YSZ基底材料，以及Nd₂NiO_4+δ阳极材料的选择，可通过PLD生长9‐50nm纳米级别的薄膜并控制晶格应力来制备不同应力状态的固体氧化物燃料电池的阳极材料。本发明通过调控晶格应力提升固体氧化物燃料电池的性能，通过脉冲激光沉积技术，制备具备不同应力状态薄膜的固体氧化物燃料电池，通过对电池的性能进行测试，表明该方法更加可控，薄膜生长周期短，并大幅提升固体氧化物燃料电池的性能。

本发明所采用的物理沉积法——脉冲激光沉积法，通过脉冲激光击打靶材，与靶材具有相同化学计量比的材料按择优晶向在单晶衬底上沉积，通过控制激光的频率、脉冲数等可精确调控电极厚度和晶格应力。

本发明目的通过如下技术方案实现：

利用脉冲激光沉积技术调控晶格应力制备固体氧化物燃料电池的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)脉冲激光沉积仪靶材制备：制备NNO靶材，其中NNO氧化物的化学式为Nd₂NiO_4+δ；

2)电解质上脉冲激光沉积仪生长阳极材料：将NNO靶材固定于脉冲激光沉积仪真空腔室的靶材托；将单晶衬底YSZ固定在PLD样品托上，在真空条件下升温至590‐610℃；通入纯氧，0.8‐1.2Pa氧压中稳定0.4‐0.6h；溅射PLD靶材NNO氧化物，金属蒸汽沿激光法线方向依次沉积在单晶衬底YSZ上，调节激光脉冲数控制NNO氧化物薄膜厚度为9‐50nm，实现单晶衬底YSZ与生长的薄膜材料NNO的晶格常数不匹配，当晶格应力在‐6％的压缩应力～5％的拉伸应力时，溅射结束，提高氧压降至室温；