[发明专利]金属氧化物阴极材料、复合阴极材料及电池

说明书

本发明公开了金属氧化物阴极材料，并提供复合阴极材料及应用该材料的电池，阴极材料的化学式为A^’B^’_yB^”_x‑yO_5±δ，其中A^’为Ba、Sr、Bi、Ce、Gd、Ca、Y、Pr中碱土金属元素中一种，B^’、B^”为两种不同的过渡金属元素，包括Fe、Co、Ni、Cu、Ti、Nu、Cr、Sc，1.5≤x≤2，0≤y≤1.98，δ表示氧的过剩量或者缺乏量，该阴极材料高温下具有较高的热稳定性，与电解质热膨胀系数相近，利于降低电池衰减速率，尤其适合中高温固态氧化物燃料电池使用，且在应用至电池时，阴极与电解质之间无需高温烧结阻隔层，此外合成工艺简单，阴极材料及后续电池的制备成本大幅降低。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体涉及金属氧化物阴极材料、复合阴极材料及应用该材料的电池。

背景技术

固体氧化物燃料电池为一种在中高温下直接将储存在燃料中的化学能高效地转化成电能的全固态化学发电装置。单电池的结构层主要分为支撑体、活性阳极、电解质、阴极等，其中空气中的氧气在阴极材料催化作用下形成氧离子的电极。

阴极的性能是决定电池寿命的关键材料之一。目前，阴极材料发展出多种类型，从结构上主要分为单钙钛矿ABO₃、双钙钛矿A₂B₂O₅、尖晶石型AB₂O₄，以及萤石型AB₂，A位通常为碱金属或稀土金属元素，B位通常为过渡元素。

中国专利CN102751508A公布一种钙钛矿A’_1-x-yA”_y-zB’O₃阴极材料，A’、A”为Ba、La、Sm、Ca、Sr、Ba中的至少一种，B’为Mn、Fe、Co、Ni等中的一种，此种阴极材料被广泛应用于固态氧化物燃料电池。中国专利CN109671956A公布一种SmMn₂O₅莫来石纤维电极的制备方法，主要应用于低温质子交换膜燃料电池领域。中国专利CN103801288A公布一种化学通式为ABO₃的钙钛矿型氧化物和化学通式为AB₂O₅的莫来石型氧化物混合材料制备方法，此种催化材料主要应用在较低的温度下和较宽的温度范围内高效地将一氧化氮催化氧化为二氧化氮。

综述有关的专利和文献，固态氧化物燃料电池所用的阴极多为钙钛矿、尖晶石型金属氧化物材料，缺点在于钙钛矿、尖晶石型金属氧化物阴极材料合成复杂，成本较高，且阴极材料中一般含Sr、Co等元素，Sr元素在高温下易向电极表明扩散，造成阴极催化活性降低，同时Sr元素向电解质扩散，反应形成SrZrO₃等低电导率杂相；Co元素易造成阴极与电解质的热膨胀系数不匹配，高温运行时阴极易脱落，加快电池衰减速率。

而莫来石型金属氧化物用于电极材料主要在氮氧化物催化领域和低温质子交换膜燃料电池领域，在中高温固态氧化物燃料电池领域，尚无公开的研究应用。

发明内容

为解决上述至少一个技术缺陷，本发明提供了如下技术方案：

金属氧化物阴极材料，阴极材料的化学式为A’B’_yB”_x-yO_5±δ，其中A’为Ba、Sr、Bi、Ce、Gd、Ca、Y、Pr中碱土金属元素中一种，B’、B”为两种不同的过渡金属元素，包括Fe、Co、Ni、Cu、Ti、Nu、Cr、Sc，1.5≤x≤2，0≤y≤1.98，δ表示氧的过剩量或者缺乏量。