[發明專利]高性能超薄正極-電解質-負極固體氧化物電池及其制備方法

在審

• 申請號: 202211030216.3
• 申請日: 2022-08-26
• 公開（公告）號: CN115483422A
• 公開（公告）日: 2022-12-16
• 發明（設計）人: 夏長榮;張璐;張瀕澤;張鎮;宦道明
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: H01M8/1246
• 分類號: H01M8/1246;H01M8/1213;H01M4/86
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

本發明公開了高性能超薄正極?電解質?負極固體氧化物電池及其制備方法，致密薄膜電解質，分別涂覆在兩側的第一電池阻隔層和第二電池阻隔層，涂覆在第一電池阻隔層外側的多孔燃料極和涂覆在第二電池阻隔層外側的多孔空氣極組成。制備方法步驟：致密薄膜電解質通過流延法得到，經過1200～1600℃燒結致密，阻隔層、多孔燃料極和多孔空氣極通過噴涂法/絲網印刷法得到，將上述致密薄膜電解質，阻隔層以及多孔燃料極和多孔空氣極燒結，得到超薄SOC?PEN。本發明公開的超薄SOC?PEN具有足夠的機械強度，可供測試，且厚度是目前商業化電池的1/10～1/2，且其在中低溫工作條件下具有較高的功率密度。

技術領域

本發明屬于固體氧化物電池領域，具體涉及一種新型固體氧化物電池結構及其制備方法。

背景技術

固體氧化物電池(Solid Oxide Cells，簡稱SOC)是21世界最清潔、高效的能量轉換裝置之一，它有兩種工作模式。在燃料電池模式(Fuel Cell，簡稱FC)下，它可以將化學能直接轉換為電能進行使用；在電解池模式(Electrolysis Cell，簡稱EC)下，它可以將富余的電能直接轉換為化學能進行存儲。目前SOC的商業化產品主要以電解質支撐型和燃料極支撐型為主，對于電解質支撐型SOC，電解質厚度一般≧200μm，且其性能較差，因為電解質厚度較大，歐姆阻抗較大，影響了電池的整體性能。對于燃料極支撐型SOC，燃料極厚度≧400μm，其相對于電解質支撐型SOC，電解質可實現薄膜化，從而減小歐姆阻抗，實現更高的性能。然而，燃料極支撐型SOC主要是通過共壓、流延熱壓等方法制備燃料極支撐體與電解質半電池，再經過高溫共燒結得到致密電解質層，空氣極通過絲網印刷等方法制備，從而得到完整的單電池。在這些制備方法中，都存在以下問題：(1)對于金屬-陶瓷支撐型SOC，燃料極較厚，且需要與在電解質在高溫共燒結以實現電解質致密化，由于熱膨脹系數存在差異，電池會出現彎曲、開裂等情況，燒結工藝比較復雜；(2)燃料極采用的氧化鎳在高溫燒結(1350-1500℃)過程中，易于與LSGM等電解質發生反應，產生雜相；(3)高溫燒結對燃料極支撐體的微觀形貌有一定的影響，如顆粒長大、孔隙率降低等，影響燃料氣體的傳輸，容易產生濃差極化，影響電池性能。

為此，亟需提供一種新型SOC電池結構，既可實現電解質薄膜化，又避免較厚的燃料極支撐體與電解質高溫共燒結。

發明內容

針對現有技術中存在的不足，本發明提供了一種高性能超薄正極-電解質-負極固體氧化物電池及其制備方法。該電池同時擁有以下幾點優勢：(1)可以實現致密薄膜電解質的厚度可控制備；(2)避免了支撐體與電解質的高溫共燒結過程，避免了副反應發生和熱不匹配性。本發明在能耗、安全性和成本等方面都優于傳統的制備方法，能夠實現大批量生產。

本發明提供了一種高性能超薄正極-電解質-負極固體氧化物電池及其制備方法，所述所提供的技術方案如下：

方案一：