[发明专利]一种固体氧化物电池修饰电极的原位合成方法

说明书

本发明公开了一种固体氧化物电池修饰电极的原位合成方法，属于固体氧化物电池和固体氧化物电解池技术领域。本发明采用流延法制备燃料电极支撑体，然后丝网印刷燃料电极功能层，电解质和由电解质材料构成的多孔空气电极骨架，经一次烧结成形，再将合成空气电极功能材料和修饰材料的前驱体混合溶液浸渍进入空气电极骨架中完成固体氧化物电池的制备。采用本发明的方法，电池在使用过程中，由于工作温度高于空气电极功能成分前驱体的成相温度，因此在达到工作温度前可以完成空气电极功能成分的成相反应。采用这种工艺可以将传统电池制备所需的三次烧结工艺简化成一次烧结，空气电极功能成分在电池工作过程中成相，极大地简化了电池制备工艺。

技术领域

本发明属于固体氧化物电池和固体氧化物电解池技术领域，特别是涉及一种固体氧化物电池修饰电极的原位合成方法。

背景技术

固体氧化物电池是一种全固态的电化学能量转化装置，可以以燃料电池模式运行，将燃料气体的化学能通过电化学反应直接转变成电能，也可以借由逆反应电解池模式利用电能电解水产生氢气和氧气。其结构包括支撑体，燃料电极，电解质和空气电极。以常见的氧离子导体电解质的固体氧化物电池为例，燃料电池模式的电化学反应在燃料电极和空气电极处发生，燃料分子在燃料电极中被氧化失去电子，空气中的氧气在空气电极获得电子被还原，电子通过外电路从燃料电极传输到空气电极，从而实现发电过程。电解池的电化学反应则是水在燃料电极获得电子分解为氢气和氧离子，氧离子穿过电解质在空气电极还原为氧气并释放电子。

根据电化学反应特点，通常采用的燃料电极结构为多孔金属镍和电解质陶瓷(如氧化钇稳定的氧化锆YSZ)，空气电极结构为电解质陶瓷和高温电子导电陶瓷(如掺杂的锰酸镧LSM)或电子/离子混合导电陶瓷(如掺杂的钴酸镧LSCF)。为了获得更高的电化学稳定性和能量转化率，通常会进一步对电极材料特别是空气电极材料进行修饰，如将修饰物质纳米PdO颗粒负载到空气电极多孔结构内，为阻止其颗粒长大还会同时负载纳米氧化锆颗粒，构成LSM+YSZ+PdO/ZrO₂复合空气电极。

由于电池涉及多种材料的合成和成型，因此电池制备工艺较为复杂。电解质的致密化烧结温度一般高于1400℃，燃料电极通常为NiO+电解质陶瓷构成，物相较为稳定，可以进行共烧结，但空气电极中诸如LSM会在1200℃以上与YSZ反应生成高电阻的La₂Zr₂O₇，因此空气电极的制备通常分步进行。典型的电池制备方法为：先采用流延法完成燃料电极支撑体制备，随后丝网印刷燃料电极和电解质，脱脂后共烧结完成除空气电极以外的制备。然后合成空气电极的活性成分LSM等，与YSZ粉体机械混合均匀后制备成印刷浆料印刷到烧结后的电解质表面，再进行低温烧结，如果需要对电极进行修饰，需要再向空气电极中浸渍修饰材料的溶液，通过溶胶-凝胶法或自蔓延燃烧法合成活性物质前驱体，再进行低温焙烧后成相。电池的制备过程需要经过多次不同温度的烧结和焙烧过程，工艺繁琐，制备流程长，能耗大。

发明内容

为解决由空气电极特点带来的电池制备复杂问题，本发明提供一种固体氧化物电池修饰电极的原位合成方法。采用本发明的方法，电池在使用过程中，由于工作温度为750℃左右，在升温至400℃时，空气电极中的功能成分前驱体将开始反应成相，达到工作温度前可以完成LSM、PdO和ZrO₂的成相反应。采用这种工艺可以将三次烧结工艺简化成一次烧结，空气电极功能成分在电池工作过程中成相，极大的简化了电池制备工艺。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明目的之一是提供一种固体氧化物电池修饰电极的原位合成方法，包括如下步骤：采用流延法制备燃料电极支撑体，然后丝网印刷燃料电极功能层，电解质和由电解质材料构成的多孔空气电极骨架，经一次烧结成形，再将合成空气电极功能材料和修饰材料的前驱体混合溶液浸渍进入空气电极骨架中完成固体氧化物电池的制备。