[發明專利]一種LSCF-GDC核殼結構陰極及其制備方法

在審

• 申請號: 202110590698.7
• 申請日: 2021-05-28
• 公開（公告）號: CN113363505A
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發明（設計）人: 趙世凱;張曉嬌;王重海;徐傳偉;馬騰飛;李杰;陳大明;李洪達;叢曉彤
• 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: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M8/12
• 代理公司: 北京志霖恒遠知識產權代理事務所(普通合伙) 11435
• 代理人: 李亞東

本發明公開了一種LSCF?GDC核殼結構陰極，包括結合層以及連接所述結合層表面的LSCF層外殼；所述結合層與電池阻隔層連接；所述結合層包括GDC內核骨架，GDC內核漿料沉積在GDC阻隔層表面，所述GDC內核骨架內填充有LSCF；所述LSCF中含有Gd陽離子和Ce陽離子的穩定的立方鈣鈦礦相的LSCF晶格；以及公開了LSCF?GDC核殼結構陰極。通過所述陰極及其制備方法既解決了陰極與阻隔層的穩定性問題，又提高陰極的離子、電子電導，以及電化學性能。

技術領域

本發明涉及固體氧化物燃料電池領域，具體涉及了LSCF-GDC陰極的領域。

背景技術

固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種將燃料中的化學能直接轉化為電能的能源轉化裝置，可以用于便攜式電源、熱電聯供以及大型發電設備，其效率高，無污染，燃料選擇范圍廣，應用前景廣闊，因而成為眾多學者研究的熱點。高溫固體氧化物燃料電池由于需要昂貴的鉻酸鑭作為連接體，成本極高，不利于固體氧化物燃料電池的應用。為了降低固體氧化物燃料電池的成本，需要將其工作溫度降到中低溫，利用廉價的金屬連接體。現在SOFC通常采用LSCF作為陰極材料，采用YSZ作為電解質，但是Sr元素容易在表面偏析，與YSZ反應生成La₂Zr₂O₇和SrZrO₃等高阻相，導致電子、離子電導降低；因此在電解質YSZ與陰極LSCF之間增加了GDC作為阻隔層。GDC阻隔層需要薄而致密，才能既起到防止La₂Zr₂O₇和SrZrO₃等高阻相的生成，又能不因為阻隔層厚而增加離子的傳導路徑導致離子電導降低，但是由于LSCF的熱膨脹系數較高，存在GDC與LSCF結合時，由于膨脹系數差距大不匹配，造成燒結過程中以及電極使用過程中出現分層或開裂現象。

對于現在固體氧化物燃料電池中陰極與阻隔層結合牢固，且不降低離子、電子電導成為固體氧化物燃料電池需要解決的技術問題。

發明內容

本發明目的在于，解決了固體氧化物燃料電池中陰極與阻隔層膨脹系數差距大不匹配結合不穩定的問題，同時提高了離子、電子電導以及電性能，提供了一種LSCF-GDC核殼結構陰極以及其制備方法，既解決了陰極與阻隔層的穩定性問題，又提高陰極的離子、電子電導，以及電性能。

為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

根據本發明一個方面提供了一種LSCF-GDC核殼結構陰極，包括結合層以及連接所述結合層表面的LSCF層外殼；所述結合層與電池阻隔層連接；所述結合層包括GDC內核骨架，GDC內核漿料沉積在GDC阻隔層表面，所述GDC內核骨架內填充有LSCF；所述LSCF中含有Gd陽離子和Ce陽離子的穩定的立方鈣鈦礦相的LSCF晶格。

本發明相對于現有技術的有益效果在于，通過包括結合層，所述結合層包括GDC內核骨架，實現GDC內核骨架與GDC阻隔層的熱膨脹系數相匹配，GDC內核與GDC阻隔層結合牢固，又由于GDC內核為多孔骨架結構，且結合層內包括LSCF，實現結合層與LSCF層外殼結合牢固，最終提高了陰極與阻隔層的穩定性，避免出現LSCF-GDC核殼陰極與GDC阻隔層的結合強度低問題；

LSCF-GDC核殼陰極與GDC阻隔層的結合，由于GDC內核骨架為多孔骨架結構，增加了電子、離子通量，在解決了結合強度高問題的同時，又避免了電子、離子的傳導路徑增加，實現電子、離子電導降低；通過所述GDC內核骨架內部的LSCF和/或LSCF層外殼，包括含有Gd陽離子和Ce陽離子的穩定的立方鈣鈦礦相的LSCF晶格，既增加了陰極的穩定性，又提高了陰極電子、離子的電導；

GDC內核骨架提供了足夠的氧離子傳輸路徑，減小中間氧物種的傳輸能壘，同時由于LSCF-GDC核殼陰極具有核殼結構延長了三相反應界面長度，提高了陰極催化活性；

最終實現LSCF-GDC核殼結構陰極既與阻隔層結合牢固穩定性高，又提高了陰極的離子、電子電導以及電性能。