[發明專利]一種YSZ電解質漿料及其制備方法

有效

• 申請號: 202110590154.0
• 申請日: 2021-05-28
• 公開（公告）號: CN113173785B
• 公開（公告）日: 2023-06-16
• 發明（設計）人: 趙世凱;李洪達;李小勇;徐傳偉;馬騰飛;陳大明;張曉嬌
• 申請（專利權）人: 山東工業陶瓷研究設計院有限公司
• 主分類號: C04B35/48
• 分類號: C04B35/48;C04B35/622
• 代理公司: 深圳市育科知識產權代理有限公司 44509
• 代理人: 洪秀鳳

本發明提供一種YSZ電解質漿料，包括YSZ粉體、粘結劑和分散劑，YSZ粉體包括納米級YSZ粉體、亞微米級YSZ粉體和微米級YSZ粉體；納米級YSZ粉體的粒徑為D50＝0.05?0.07μm，亞微米級YSZ粉體的粒徑為D50＝0.1?0.5μm，微米級YSZ粉體的粒徑為D50＝1?1.2μm。本發明采用以上粒徑范圍的納米級、亞微米級和微米級YSZ粉體進行顆粒級配，在制備電解質膜層時大尺寸粉體抑制晶粒異常生長，抑制膜層的燒結收縮，減少缺陷；小尺寸粉體填充進孔隙中，高溫下優先燒結并與大尺寸粉體接觸發生物質傳質，促進晶粒生長重排，進而促使電解質膜層致密化。本發明通過顆粒級配在減少電解質膜層缺陷保證致密性的前提下，使電解質膜層致密所需的燒結溫度降低。另外，分散劑抑制粉體團聚，提高分散度，使漿料分散均勻。

技術領域

本發明涉及燃料電池用電解質領域，具體而言，涉及一種YSZ電解質漿料及其制備方法。

背景技術

固體氧化物燃料電池(SOFC)是一類既能發電，又無噪聲污染、高效清潔的能量轉換裝置。SOFC制備的關鍵技術之一是獲得足夠薄且不透氣的致密無缺陷的電解質薄膜，氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ)是最好的電解質立方結構的CSZ(摻雜8mol％Y₂O₃的ZrO₂，即8YSZ)，表現出最大的離子電導率(在1000℃高達0.1s·cm^-1)，具有在氧分壓波動較大的范圍內仍保持純離子導體不變，在高溫下物理化學性質保持穩定，高溫下具有較高的機械強度和離子導電率等優點，氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ)成為應用最為廣泛的SOFC電解質材料。

現階段，制備SOFC電解質所使用的YSZ粉體以亞微米級為主，粉料越細，比表面積越大，配成漿料后易出現團聚顆粒；并且粉料越細，表面能越高，燒結過程中易出現晶粒的異常長大，為功能層帶來缺陷；顆粒團聚后形成的團聚體和異常生長的大晶粒嚴重影響電解質層的致密性。另一方面，亞微米級的YSZ粉體成本高，增加電解質的制備成本。

發明內容

本發明提供了一種YSZ電解質漿料及其制備方法，解決了現有技術亞微米級YSZ粉體配成漿料時易團聚、燒結時晶粒異常長大產生缺陷、電解質層致密性差和成本高等問題。

一方面，本發明提供了一種YSZ電解質漿料，包括YSZ粉體、粘結劑和分散劑，其中，所述YSZ粉體包括納米級YSZ粉體、亞微米級YSZ粉體和微米級YSZ粉體；所述納米級YSZ粉體的粒徑為D50＝0.05-0.07μm，所述亞微米級YSZ粉體的粒徑為D50＝0.1-0.5μm，所述微米級YSZ粉體的粒徑為D50＝1-1.2μm。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：本發明YSZ電解質漿料中的YSZ粉體按照D50＝0.05-0.07μm、D50＝0.1-0.5μm與D50＝1-1.2μm的比例進行納米級、亞微米級和微米級的顆粒級配，在制備電解質膜層的燒結步驟時大尺寸粉體抑制晶粒的異常生長，而且大尺寸粉體可抑制膜層的燒結收縮，減少缺陷；從表面能的角度看，同等質量前提下，小顆粒表面積大，表面相原子占比較大，能量水平高于大顆粒，小顆粒粉體具有更高的燒結活性，更容易熔化，小尺寸的粉體填充進大尺寸粉體間的間隙中，附著吸附在大尺寸粉體上，粉體顆粒間接觸面積增大，燒結過程中有利于頸部連接的生成，小尺寸粉體高溫下優先燒結，小尺寸粉體與大尺寸粉體接觸有助于促進物質傳質與晶粒生長重排，進而促使電解質膜層燒結致密化。本發明YSZ電解質漿料中的YSZ粉體采用納米級、亞微米級和微米級YSZ粉體進行顆粒級配，制備電解質膜層的燒結步驟時，在減少電解質膜層缺陷保證膜層致密性的前提下，使電解質膜層致密所需的燒結溫度降低。與現有技術所使用的YSZ粉體以亞微米級為主相比，本發明的YSZ粉體還包括納米級和微米級YSZ粉體，成本低，電解質膜層的制備成本低。另外，本發明YSZ電解質漿料中添加分散劑，可以抑制較細粉體發生團聚，也可以提高漿料分散程度，促使漿料分散均勻。

在本發明的一些實施方式中，按重量份數計，所述YSZ電解質漿料包括75-108份YSZ粉體、61-88份粘結劑和0.7-2份分散劑。