[发明专利]高熵固体氧化物燃料电池及其制备与应用

说明书

本发明公开了高熵固体氧化物燃料电池及其制备与应用，电解质采用YSZ、LSGM、BZCY、BCNY、GDC，高熵钙钛矿电极化学通式为RAETRO₃，其中RAE为稀土元素镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，碱土金属元素镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)中的一种到六种且各组成元素摩尔含量范围为15％‑80％，总含量为100％，TR是过渡金属元素锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、铜(Cu)、镍(Ni)、锌(Zn)中的一种到六种且各组成元素摩尔含量范围为15％‑80％，总含量为100％。本发明的高熵固体氧化物燃料电池及其制备与应用，流程简单，所制备材料纯度高，产量和产率高。利用电解质基体一次共烧结和湿化学法低温烧结制备双电极，能耗低，能实现节能的效果，适合工业化生产。

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池领域，具体为高熵固体氧化物燃料电池及其制备与应用。其中，高熵钙钛矿电极化学通式为RAETRO₃，其中RAE为稀土元素镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，碱土金属元素镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)中的一种到六种且各组成元素摩尔含量范围为15％-80％，总含量为100％，TR是过渡金属元素锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、铜(Cu)、镍(Ni)、锌(Zn)中的一种到六种且各组成元素摩尔含量范围为15％-80％，总含量为100％。

背景技术

世界各国能源技术正处于转型升级阶段，对清洁、高效的动力电源及分布式发电技术提出了越来越高的要求。固体氧化物燃料电池除了具备一般燃料电池优点外还具备全固态、易安装、燃料广泛适应性、发电效率高、热电联供等优势，是一种高效环保型的发电装置。对称固体氧化物燃料电池(Symmetrical SOFC，SSOFC)是阳极和阴极使用同一材料的一种固体氧化物燃料电池，相较于传统的SOFC减少了一个电极和电解质的界面，可以提高电极和电解质的匹配性，增加电池寿命。当以碳氢化合物为燃料时，SOFC反向操作，以固体氧化物电解电池(SOECs)形式运行，阳极中氧化性气氛的通入可以消除电极积碳和硫中毒现象。对称电极材料需要同时满足对氧还原反应和燃料气催化氧化的高活性，足够高的电子和离子电导率，同时要满足强还原和氧化性气氛下的化学和机械稳定性等关键条件。因此，寻找和构建高活性和稳定性的对称电极材料对SSOFC产业化发展尤为关键。

随着经济和工业的发展，传统材料的发展趋于极限，无法满足各行业的要求，开发新材料成为一种趋势。高熵体系是近几年来新出现的材料设计概念，其概念起源于最开始的高熵合金。Yeh和Cantor先后提出了高熵合金的概念，将多种元素按照原子比固溶到一起，形成单相的固溶体。随后，一系列的高熵合金材料被开发出来，相比于传统合金，高熵合金具备优异的低温抗断裂性能、较高的机械强度和延展性、良好的耐磨性以及抗氧化性能,有望应用于能源、环境领域。高熵陶瓷的发现最早可以追溯到2015年，Rost等人通过固相法合成第一个高熵氧化物(Co，Cu，Mg，Ni，Zn)O，将高熵合金的概念扩展到高熵陶瓷。随后越来越多的高熵陶瓷如萤石结构、钙钛矿结构、尖晶石结构高熵氧化物陶瓷和硼化物、碳化物、氮化物以及硅化物等高熵非氧化物陶瓷陆续出现。其中高熵氧化物具有比较大的介电常数、高的离子电导率和低的热导率，催化性能在锂电池正极材料中得到了肯定。

本实验采用柠檬酸盐燃烧法，得到稳定的高熵钙钛矿(ABO₃)结构。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提出一种提高对称固体氧化物燃料电池功率密度的高熵组分的钙钛矿的电极活性材料及其制备方法与应用。