[發明專利]一種中低溫固體氧化燃料電池的A位摻雜K2NiF4型陰極材料

無效

• 申請號: 200910086167.3
• 申請日: 2009-06-09
• 公開（公告）號: CN101593836A
• 公開（公告）日: 2009-12-02
• 發明（設計）人: 趙海雷;沈永娜;張翠娟;徐南生
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M8/02;H01M8/10
• 代理公司: 暫無信息
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技術領域

本發明屬燃料電池領域，具體涉及一種性能穩定、電子電導率、離子電導率高的A位摻雜的四方K₂NiF₄型La₂NiO_4+δ中低溫固體氧化物燃料電池陰極材料。

背景技術

降低固體氧化物燃料電池運行溫度，開發中低溫固體氧化物燃料電池已成為目前固體氧化物燃料電池領域發展的主要趨勢。但是隨著溫度的降低，傳統陰極材料LSM(La_1-xSr_xMnO_3-δ)電化學催化活性迅速下降，極化電阻急劇增大。溫度由1000℃降到500℃，極化電阻增大約2000倍。陰極作為SOFC重要組成部分，其歐姆損失占整個電池歐姆損失的60％，因此研究開發高性能陰極材料對于中低溫固體氧化物燃料電池發展具有重要意義。作為中低溫固體氧化物燃料電池陰極材料必須滿足以下基本要求：在運行溫度范圍內具有較高的催化活性，高的電子電導率和離子電導率，良好的化學穩定性和熱穩定性，及與電解質匹配的熱膨脹系數。離子-電子混合導體材料因其擴大了的電化學反應區域，有效的降低了陰極極化損失，成為陰極材料研究的重點。目前研究最多是鈣鈦礦結構的離子-電子混合導體，主要以LSFC(La_1-xSr_xFe_1-yCo_yO_3-δ)，BSCF(Ba_1-xSr_xFe_1-yCo_yO_3-δ)基陰極材料為主，但上述材料并不能完全滿足固體氧化物燃料電池對陰極材料的技術要求。LSFC在中低溫時具有較高的混合電導率，但LSFC體系的熱膨脹系數(14.6×10^-6～26.0×10^-6K^-1)遠高于LSGM、GDC等新一代中低溫型固體氧化物燃料電池電解質材料(11.5×10-6～12.5×10^-6K^-1)；以BSCF為陰極的固體氧化物燃料電池的性能有了較大提高，但該材料在中低溫時電導率較小，熱膨脹系數也遠大于電解質。具有K₂NiF₄結構的La₂NiO_4+δ材料因其合適的熱膨脹系數和較高的離子電導率，引起人們越來越多的關注。但該材料電子電導率較低，不能很好的滿足陰極材料的需要(≥100S·cm^-1)。根據文獻V.V.Kharton，et?al，Oxygen?ion?transport?in?La₂NiO_4+δ-based?ceramics，Journal?of?Material?Chemistry，9(1999)：2623和V.Vashook，et?al，Composition?and?conductivity?of?some?nickelates，Solid?StateIonics，119(1999)：23，通過對La₂NiO_4+δ進行A位或者B位的異價元素摻雜可以改善材料電導率。對于La₂NiO_4+δ體系，目前研究最多的是A位Sr摻雜的La_2-xSr_xNiO_4+δ，根據S.J.Skinner，J.A.Kilner，Oxygen?diffusion?and?surface?exchange?in?La_2-xSr_xNiO_4+δ，Solid?State?Ionics，135(2000)：709，Sr的摻入，在提高電子電導率的同時也使得非化學計量氧含量減少，從而影響材料的離子電導率。因此尋求一種新的A位摻雜，使之在不影響材料離子電導率的同時提高材料的電子電導率，并且可以降低材料成本，將會促進中低溫固體氧化燃料電池的實用化進程。

發明內容