[發明專利]由滲透產生的電極及方法

在審

• 申請號: 201380054545.4
• 申請日: 2013-10-10
• 公開（公告）號: CN104737342A
• 公開（公告）日: 2015-06-24
• 發明（設計）人: 阿爾佛雷德·朱尼奧·參孫;馬丁·瑟高;尼古勞斯·波南諾;克里斯托杜洛·夏奇克里斯托杜盧;彼得·凡·亨德里克森
• 申請（專利權）人: 丹麥技術大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90;H01M8/12
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 楊生平;鐘錦舜

技術領域

本發明涉及用在電化學裝置中的摻雜金屬氧化物結構以及制造所述摻雜金屬氧化物結構的方法。

背景技術

固體氧化物燃料電池(SOFC)、固體氧化物電解池(SOEC)、氧膜(oxygen?membrane)及電動勢裝置的性能和長期穩定性也許受到在其內使用的氧電極的影響。

US?6,017,647涉及一種用于固態電化學裝置的氧電極，包括具有離子電導和電子電導材料的互穿網絡的多孔結構。在燒結步驟之后，不同于電子電導材料的電催化劑通過滲透而散布在多孔結構的孔中。

US?6,319,626涉及一種氧化釔-穩定的氧化鋯(YSZ)陰極，包括基于鈣鈦礦的高性能電催化劑。該電極在浸漬之前被形成并且被燒結。

WO?00/25898公開了用于產生氧和氫的氧化鈰的摻雜。通過沉淀來自于包含所有期望的陽離子的溶液的相應成分來獲得氧化物，之后燒結干燥的聚集物。

WO?2007/027144涉及摻雜氧化鈰離子導體，其使能在更低溫度處的更高的離子電導率。

然而，在上述提及的申請中公開的結構并未提高氧電極的性能、長期穩定性以及耐高溫處理。

因此，改善的電極以及用于制造所述電極的方法將是有益的，并且尤其是更高效的和/或更可靠的電極將是有益的。

發明目標

本發明的目標是提供具有改善的長期穩定性的電極以及制造所述電極的方法。

也可以視為本發明的目標是提供制造電極的方法以及具有改善的熱處理穩定性(即熱處理的高耐受性)的電極。

本發明的另一目標是提供現有技術的可替代方式。

特別地，也可以視為本發明的目標是提供制造電極的方法以及電極，這通過將元素滲透到摻雜金屬氧化物中來解決現有技術的上述問題。

發明內容

因此，上述目標和幾個其他目標旨在通過提供制造電極的方法來在本發明的第一方面中被獲得，所述方法包括：a)將至少一種元素滲透到摻雜金屬氧化物中；b)將滲透有至少一種元素的所述摻雜金屬氧化物進行加熱。

因而，在本發明的第一方面中，制造電極的方法提供具有改善的長期穩定性和改善的熱處理穩定性(即熱處理的高耐受性)的電極。

為了改善性能和長期穩定性，電極需要展現出低極化損失。這可以在如果電極材料顯示出比如快速氧化還原動力學、高的電子或離子電導率、與其他成分的化學兼容性、以及在操作溫度處的穩定微結構時被實現。

與傳統路線相比，產生了展現低極化損失的復合電極的方法被稱為滲透路線或浸漬路線。這可以施加到通常包含氧化物離子執行多孔骨干的結構，該多孔骨干滲透有電子或者混合離子電子傳導(MIEC)電催化劑。

通過滲透路線獲得的電催化劑的納米微粒的顆粒大體上具有高的表面積并且因此增強用于氧表面交換的可用面積。然而，已經發現，在長期操作和/或暴露于高溫(即大于600攝氏度)期間，所形成的納米微粒展現出顯著的顆粒生長性以及后續的過濾損失，因此增加了歐姆電阻和極化電阻。

在尋找解決方案時，發明人在加熱步驟和電催化劑滲透步驟之前通過將至少一種元素引入到摻雜金屬氧化物中的滲透步驟來對本發明進行設計，從而提供一種滲透摻雜金屬氧化物結構。

重要的是，在加熱步驟之前以及電催化劑的滲透步驟之前，發生了至少一種元素至摻雜金屬氧化物中的滲透步驟。

電極包括金屬氧化物，其也被稱為骨干(backbone)、離子傳導骨干或簡單的骨干材料。骨干材料制備屬于本領域技術人員。

在一些進一步實施例中，至少一種元素為鑭系元素，優選地為可溶入到氧化鈰中的鑭系元素。

所述至少一種元素可以選自于鐠、釹、鉺、鋱、或者其組合的組。

在一些其他實施例中，所述至少一種元素為過渡金屬。

在一些進一步實施例中，所述至少一種元素選自于鉻、錳、鐵、鈷、鎳、釩、釕或其組合的組。

在一些甚至更進一步的實施例中，至少一種元素為或者選自于鎢、鈮、鉭、鉬或其組合的組。

因此，在一些實施例中，所述至少一種元素為鐠。

在一些實施例中，至少一種元素為兩種元素。

那些兩種元素可以為鐠和鋱。

摻雜金屬氧化物可以具有下列通式：M_1-xA_xO_2-δ，其中，A為堿土或稀土并且M為鈰或鋯，并且其中x在0至1的范圍內，δ在0至1的范圍內。δ的值大體上由材料周圍的氧氣活度來確定。