[发明专利]一种高熵钙钛矿电解质及其制备方法与应用、电池

说明书

本发明公开了一种高熵钙钛矿电解质及其制备方法与应用、电池，属于燃料电池电解质技术领域。高熵钙钛矿电解质的化学式为BaMO_3‑δ，其中，M位包括Zr、Ce和至少三种其它元素，其它元素为Sn、Ti、Y、Nb、Mo、Mn、Ni、Cu和Zn。高熵钙钛矿电解质的制备方法为溶胶凝胶法、固相法或闪烧法。本发明公开的高熵钙钛矿电解质具有烧结活性好、质子导电性高、机械强度高以及在高浓度水蒸气、二氧化碳、氢气气氛中晶体结构稳定性好等优点，可以有效增加质子传导型固体氧化物燃料电池的功率密度和工作稳定性。

技术领域

本发明属于燃料电池电解质技术领域，具体涉及到一种高熵钙钛矿电解质及其制备方法与应用、电池。

背景技术

质子传导型固体氧化物燃料电池(PC-SOFC)是一种基于质子导体陶瓷电解质而设计的新型能源转换装置，在结构上与传统氧离子传导型固体氧化物燃料电池(O-SOFC)非常类似，二者最大的区别在于电解质的功能上。传统的高温O-SOFC工作温度在800～1000℃，高温不仅增加成本而且缩短电池使用寿命，一定程度上限制了O-SOFC的发展。基于质子传导的PC-SOFC由于质子迁移的活化能较低，使得PC-SOFC能够在400～600℃的中温条件下运行，作为新型SOFC有着巨大的发展潜力。

常见的质子导体型电解质主要以不同比例的BaZr_0.8Y_0.2O_3-δ(BZY)和BaCe_0.8Y_0.2O_3-δ(BCY)所组成的固溶体为主。然而，工作气氛中含有H₂O或CO₂时，BCY会发生反应生成Ba(OH)₂或BaCO₃，以及其他绝缘杂质(比如CeO₂)的形成，严重影响了PC-SOFC的长期稳定性。此外，BCY的机械强度较差，电解质两侧化学环境差异较大，电解质在实际工况下会存在较大的应力，较差的机械强度容易导致电解质在长期运行过程产生破损，进一步增加电池失效风险。而BZY存在低温下质子电导率低、烧结活性差等问题，限制了其不能大规模应用。因此，制备具有良好稳定性、容易烧结的质子陶瓷电解质是PC-SOFC进一步发展的关键。

高熵氧化物(HEO)是一类通常由5种或5种以上元素按等原子比或接近等原子比组成的功能陶瓷，因其具有较大的构型熵，故更趋向于生成单相固溶体结构并抑制杂相的形成，具有极高的结构稳定性。此外，原子半径不同、元素电负性不同的原子占据相同的原子位点，结构上会有较大的晶格畸变。因此，高熵氧化物往往表现出优于传统氧化物的结构稳定性及离子传输特性。就目前而言，高熵氧化物仍处于合成探索时期，新的性能有待进一步开发，有关高熵氧化物的氧离子及质子传输性质的研究非常缺乏，因此尚无以高熵氧化物作为PC-SOFC电极材料的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种高熵钙钛矿电解质及其制备方法与应用、电池，可以解决质子传导型固体氧化物燃料电池(PC-SOFC)电解质材料烧结活性低以及结构稳定性较差的问题。

为达上述目的，本发明提供了一种高熵钙钛矿电解质及其制备方法，化学式为BaMO_3-δ，其中，M位包括至少五种原子比相等的元素，元素由Zr、Ce和其它元素组成，其它元素为Sn、Ti、Y、Nb、Mo、Mn、Ni、Cu和Zn中的至少三种，0≤δ＜0.2。