[發明專利]銦或鈮摻雜氧基磷灰石型硅酸鑭固體電解質材料及其制備方法

無效

• 申請號: 201210182796.8
• 申請日: 2012-06-05
• 公開（公告）號: CN102709578A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 劉占國;相珺;歐陽家虎;周玉
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H01M8/10
• 分類號: H01M8/10
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 韓末洙

技術領域

本發明涉及固體電解質材料及其制備方法。

背景技術

燃料電池是一種高效、環境友好的電化學能量轉換裝置，以其獨特的優點成為21世紀最具發展潛力的綠色能源。其中固體氧化物燃料電池(Solid?Oxide?Fuel?Cells，SOFCs)由于具有高的能量轉換效率、結構簡單、無液體腐蝕和流失問題以及壽命長等優點，引起了人們的廣泛關注。目前商業化應用中主要使用氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ)作為電解質材料，但是此材料需要在1273K的高溫下才能維持其高的離子電導率，由于使用溫度過高，導致電解質老化，電極和連接材料選擇困難，啟動時間長，制造成本高，密封和結構上的問題以及長時間運轉穩定性等問題，因此較高的操作溫度在一定程度上限制了SOFCs的發展和使用。

氧基磷灰石型硅酸鑭電解質材料在中低溫下具有高的離子電導率和低的活化能，而且其熱膨脹系數與陰陽極材料相匹配，有可能成為一種性能優異的新型電解質材料，從而加速SOFCs的中低溫化進程和商業化發展。目前這種電解質材料的制備方法主要是高溫固相反應法和溶膠凝膠法。溶膠凝膠法制備的粉體粒徑小而且均勻，燒結溫度較低，但是所使用的金屬純鹽成本較高；高溫固相反應法操作簡單，成本低，是目前為止最常用的制備方法，但是高溫固相反應法所使用的氧化物粉體需要在高于1873K的溫度下保溫10～30h才能合成氧基磷灰石結構的硅酸鑭相，而由于粉體混合的不均勻，常形成阻礙電導率提高的第二相La₂SiO₅或La₂Si₂O₇，第二相的存在也影響了固相反應致密化的進行，不利于電導率的提高。

發明內容

本發明要解決現有制備氧基磷灰石型硅酸鑭電解質材料的溶膠凝膠法成本高以及高溫固相反應法溫度高、能耗大、易形成第二相的問題，而提供一種銦或鈮摻雜氧基磷灰石型硅酸鑭固體電解質材料及其制備方法。

本發明銦或鈮摻雜氧基磷灰石型硅酸鑭固體電解質材料的化學式為La₁₀Si_6-xIn_xO_27-x/2或La₁₀Si_6-xNb_xO_27+x/2，其中，x的取值范圍為0＜x≤2。

上述的銦或鈮摻雜氧基磷灰石型硅酸鑭固體電解質材料的制備方法按以下步驟進行：

一、將氧化物粉體La₂O₃、SiO₂和A分別置于三個坩堝中，再將坩堝置于高溫爐中，以100～300K·h^-1的升溫速度升溫至873～1273K，保溫1～4h后，以100～500K·h^-1的降溫速度降至室溫；其中A代表In₂O₃或Nb₂O₅；

二、稱取經步驟一處理的La₂O₃、SiO₂和A，其中La₂O₃與SiO₂的物質的量之比為5∶(5.5～5.9)，La₂O₃與A的物質的量之比為5∶(0.05～0.25)；

三、將步驟二中稱取的La₂O₃、SiO₂和A置于球磨罐中，加入無水乙醇和磨球，濕磨混合均勻，得到混合物；其中粉體和無水乙醇的質量比為1∶(0.5～3)，粉體和磨球的質量比為1∶(3～5)；粉體的質量是指La₂O₃、SiO₂和A的總質量；

四、將步驟三得到的混合物烘干、過160～500目篩后，在1473～1673K的溫度下煅燒5～15h，得到煅燒粉體；

五、將步驟四得到的煅燒粉體在10～40MPa的壓力下冷壓成型，再在100～400MPa下冷等靜壓成型，保壓時間為3～10min，得到坯體；

六、將步驟五中得到的坯體在溫度為1773～1973K的條件下，燒結5～30h，得到銦或鈮摻雜氧基磷灰石型硅酸鑭固體電解質材料。

本發明的有益效果是：

1、與溶膠凝膠法相比，本發明所使用的原料成本低，制備工藝簡單，周期短；