[發明專利]一種鋇鋯釔摻鈷的陰極材料體系及其制備方法

在審

• 申請號: 201611200533.X
• 申請日: 2016-12-22
• 公開（公告）號: CN106784864A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 凌意瀚;趙翼遙;郭天民;郭立童;歐雪梅;馮培忠
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/90;H01M4/88
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 楊曉玲

技術領域

本發明涉及一種電池陰極材料體系及制備方法，特別是一種鋇鋯釔摻鈷的陰極材料體系及其制備方法。

背景技術

化石能源作為人類能源的主要來源，由于其有限性和不可再生性，在全球范圍內引起重要的能源危機，另一方面，火力發電及化石燃料的燃燒對環境造成嚴重的污染。為了緩解全世界所面臨的能源危機和環境污染的兩大難題，探索和利用清潔的、高效的新能源轉化技術，迫在眉睫。固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種新型發電裝置，其高效率、無污染、全固態結構和對多種燃料氣體的廣泛適應性等，是其廣泛應用的基礎。與氧離子導體型固體氧化物燃料電池(O-SOFC)相比，以高溫質子導體為電解質的固體氧化物燃料電池(H-SOFC)由于具有高的能量轉化效率和燃料利用率，低的傳導活化能，高的離子遷移數及高理論電動勢，受到廣泛的關注。

高溫操作雖有電極化損失低、廢氣熱量可以回收利用等優勢，但帶來一系列問題，如電池組成材料的緩慢分解及相間擴散，連接材料中Cr的揮發、電極容易燒結，電池堆密封困難、不同層間高溫熱失配等等，這都最終導致電池部件失效從而降低電池使用壽命。降低操作溫度，不僅可以提高SOFC的熱力學效率，而且還能解決高溫封裝困難的問題，減緩電池組成材料間的相互反應，避免電極材料微結構的退化。但是，隨著操作溫度的降低，電池的歐姆電阻和極化電阻都顯著的增加，且電池的極化電阻的增加幅度遠遠大于電池的歐姆電阻的增加，成為電池中的主要內阻損失。而H-SOFC往往為了增加陰極與質子電解質的三相界面，擴大陰極反應的面積，往往在氧離子導體的陰極材料中加入第二相質子導電相，形成復合陰極，可以有效的降低陰極極化電阻，增加電池的性能。但是復合陰極中經常出現化學相容性差，在長期工作過程中易產生第二相，降低電池是實際使用；其次復合陰極的復雜的制備過程進一步增加電池的制造成本，制約了SOFC商業化。

發明內容

本發明的目的是要提供一種鋇鋯釔摻鈷的陰極材料體系及其制備方法，實現陰極材料與電解質有很好的化學相容性和電池材料之間的熱匹配性以及電池的極化電阻和材料燒結溫度能達到更加理想的數值。

本發明的目的是這樣實現的：本發明包括鋇鋯釔摻鈷的陰極材料體系及其制備方法；

所述的陰極材料體系：在鋇鋯釔中摻雜過渡金屬離子Co和三價Y離子，提高質子和電子導電能力，構成BaZrO₃質子導體；具有較高的催化活性；BaZrO₃質子導體在含有H₂O或CO₂存在的氣氛中化學性能穩定；與電解質材料有良好的相匹配性。

所述的陰極材料體系的制備方法為：采用Y和Co共摻雜的方式，采用檸檬酸液相合成法制備初始粉體，選擇鈣鈦礦結構BaZrO₃為基體，摻雜Y³⁺提高BaZrO₃的質子電導率，再添加過渡金屬元素Co，陰極材料具備電子電導率，隨著Co元素的增加電子電導率增加，提高材料的化學穩定性；獲得質子和電子混合導體型的陰極材料體系BaZr_0.8-xCo_xY_0.2O_3-δ其中x＝0.2，0.4，0.6。

具體步驟為：

1、本發明要制的陰極材料粉體為BaZr_0.8-xCo_xY_0.2O_3-δ其中x＝0.2，0.4，0.6，根據每種元素的摩爾質量計算出所需原料：C₄H₆BaO₄、Zr(NO₃)₄·3H₂O、Y(NO₃)₃·6H₂O、Co(NO₃)₂·6H₂O的質量；

2、稱取鈷化物Co(NO₃)₂·6H₂O和鋯化物Zr(NO₃)₄·3H₂O于一干凈燒杯中，加50-100ml蒸餾水，再加10-15ml硝酸，加熱，攪拌至溶液澄清；