基于原位反应的固体氧化物燃料电池阴极及其制备方法和应用

本发明涉及电极制备工艺，尤其指一种基于原位反应的固体氧化物燃料电池阴极及其制备方法和应用。

背景技术：

1、固体氧化物燃料电池（sofc）因为能将储存的化学能转化为电能，实现零污染排放，且转换效率高等优点受到了广泛关注。然而，在电池的关键材料开发及电池系统优化设计等方面还需继续着力于成本和能源转化效率方面跟进技术。

2、sofc的组成部分有阳极、电解质、阴极。目前，阴极材料的传统制备方法有水热法、共沉淀法和溶胶-凝胶法等，这些方法各有优势但也存在些许问题。例如，水热法合成产物的纯度高、分散性好、生产成本低但由于反应是在密闭的容器中进行的所以产物的形成过程和中间现象不易直接观察；共沉淀法成本低，操作简便易行但它的前驱体一般为氢氧化物或者盐，需要高温固相反应，这会使产物团聚颗粒变大从而影响氧化还原反应；溶胶凝胶法制备过程温度比较低、过程易控制、化学计量比准确且易于改性但反应影响因素多，制备时间较长且烧结性较差。因此，开发一种既可以实现阴极微观形貌的优化又满足低耗需求的新型制备方法对有效改善阴极-电解质界面微观形貌并促进电池性能提升具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于提供一种易于操作、成本较低且可以提高电池性能的基于原位反应的固体氧化物燃料电池阴极的制备方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：制备固体氧化物燃料电池的阴极材料包括贵金属基阴极，钙钛矿基阴极，层状钙钛矿基阴极和尖晶石氧化物基阴极，材料分子式包含有：bace0.36fe0.64o3-δ（bcf36），la2ni0.7ce0.6o5-δ（lnco06），pr0.5ba0.5co0.7fe0.22v0.08o3-δ（pbcfv008）和pr0.5ba0.5co0.7fe0.25sn0.05o3-δ（pbcfs005）等。

3、一种基于原位反应的固体氧化物燃料电池阴极的制备方法，包括以下步骤：

4、（1）按照电极材料的组成称取无机颗粒粉体0.2-100 g、称量溶剂0.8-400 g、分散剂0.02-10 g、粘合剂0.01-5 g和增塑剂0.02-10 g；

5、（2）将无机颗粒粉体和分散剂溶于溶剂中搅拌均匀形成浆料a，，将溶液a倒入装有氧化锆球的球磨罐中并置于球磨机上混合24 h以上得到浆料b；

6、（3）在浆料b中加入粘合剂和增塑剂，继续放置在球磨机上混合24 h以上得到浆料c；

7、（4）利用喷枪将浆料c匀速地喷涂在半电池的电解质表面上，然后进行干燥，得到的阴极涂层即所述的基于原位反应的固体氧化物燃料电池阴极。

8、优选地，步骤（1）中，所述无机颗粒粉体为易溶于溶剂的碱土金属碳酸盐粉体或金属氧化物粉体，其平均粒径为1-3 μm。

9、更优选地，步骤（1）中，所述溶剂为去离子水、甲醇、无水乙醇、丙酮和丁酮中的至少一种。

10、更优选地，步骤（1）中，所述分散剂为三乙醇胺、丙烯酸共聚物byk、甲基戊醇、丙烯酸树脂dm-55中的至少一种。

11、更优选地，步骤（1）中，所述粘合剂为聚乙烯醇缩丁醛、苯乙烯-丁二烯聚合物、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、偏氟乙烯-六氟丙烯聚合物、聚丙烯腈、羧甲基纤维素钠、丁二烯-丙烯腈聚合物、聚丙烯酸、聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯和聚丙烯酸-苯乙烯聚合物中的至少一种。

12、更优选地，步骤（1）中，所述增塑剂为甲基异丁基甲酮、聚乙二醇、乙酸正丁酯、环乙酮、双丙酮醇、二异丁基甲酮、乙酰乙酸乙酯、邻苯二甲酸二丁酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和碳酸二甲酯中的至少一种。

13、更优选地，步骤（4）中，喷涂浆料时半电池的表面温度控制在25-200 ℃，喷涂的阴极涂层面积控制在0.1-1 cm2，干燥的温度为50-300 ℃。

14、更优选地，步骤（4）中，所述阴极涂层的厚度为1-30 μm。

15、本发明制备得到的基于原位反应的固体氧化物燃料电池阴极的应用，可将其成型在半电池的电解质表面上之后，将半电池进放入马弗炉或者微波高温800-1300 ℃烧结10-300 min，获得完整的单电池。本领域技术人员应该知道，本发明中的半电池是相对于完整的单电池的一个代称术语，指的是包含电池的一部分组件，在制备阴极涂层之前，已经存在了电池的一部分结构，即电解质层，但还没有形成完整的电池单元。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

17、（1）本发明在固相法的基础上进一步改进后，通过喷雾的手法修饰电解质-电极的微观结构，使阴极均匀地贴合在电解质表面上，阴极的厚度也变得可控。并且与固相法相比，喷涂工艺的阴极粒径尺寸较小，比表面积增大，更利于氧化还原反应，提高电池的法拉第效率。

18、（2）本发明的操作工艺较为简单，由于某些金属材料的难溶性，不适宜利用溶胶-凝胶法制备，而本发明不需要先合成粉体再进行处理，直接通过金属氧化物和碱土金属碳酸盐原位反应即可，既填补了溶胶凝胶法的不足，也简化了制作步骤。

19、（3）本发明提供的制备方法可以有效降低成本，阴极浆料喷涂完成后直接进行高温烧结，粉体的成相和成膜一步到位，不仅节省了工艺流程，同时也降低了成本。

技术特征：

1.基于原位反应的固体氧化物燃料电池阴极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于原位反应的固体氧化物燃料电池阴极的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述无机颗粒粉体为易溶于溶剂的碱土金属碳酸盐粉体或金属氧化物粉体，其平均粒径为1-3 μm。

3.根据权利要求1所述的基于原位反应的固体氧化物燃料电池阴极的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述溶剂为去离子水、甲醇、无水乙醇、丙酮和丁酮中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的基于原位反应的固体氧化物燃料电池阴极的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述分散剂为三乙醇胺、丙烯酸共聚物byk、甲基戊醇、丙烯酸树脂dm-55中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的基于原位反应的固体氧化物燃料电池阴极的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述粘合剂为聚乙烯醇缩丁醛、苯乙烯-丁二烯聚合物、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、偏氟乙烯-六氟丙烯聚合物、聚丙烯腈、羧甲基纤维素钠、丁二烯-丙烯腈聚合物、聚丙烯酸、聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯和聚丙烯酸-苯乙烯聚合物中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的基于原位反应的固体氧化物燃料电池阴极的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述增塑剂为甲基异丁基甲酮、聚乙二醇、乙酸正丁酯、环乙酮、双丙酮醇、二异丁基甲酮、乙酰乙酸乙酯、邻苯二甲酸二丁酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和碳酸二甲酯中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的基于原位反应的固体氧化物燃料电池阴极的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，喷涂浆料时半电池的表面温度控制在25-200 ℃，喷涂的阴极涂层面积控制在0.1-1 cm2，干燥的温度为50-300 ℃。

8.根据权利要求1所述的基于原位反应的固体氧化物燃料电池阴极的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，所述阴极涂层的厚度为1-30 μm。

9.一种基于原位反应的固体氧化物燃料电池阴极，其特征在于：采用权利要求1-8中任意一项所述的基于原位反应的固体氧化物燃料电池阴极的制备方法制备得到。

10.一种权利要求9所述的基于原位反应的固体氧化物燃料电池阴极的应用，其特征在于：将其成型在半电池的电解质表面上之后，将半电池进行高温烧结从而获得完整的单电池。

技术总结基于原位反应的固体氧化物燃料电池阴极及其制备方法和应用，涉及电极制备工艺技术领域，其中的制备方法包括取适量的无机颗粒粉体、溶剂、分散剂、粘合剂和增塑剂，将无机颗粒粉体和分散剂溶于溶剂中搅拌均匀形成浆料A，将浆料A倒入球磨机混合得到浆料B，在浆料B中加入粘合剂和增塑剂，继续放置在球磨机上混合并得到浆料C，利用喷枪将浆料C匀速地喷涂在半电池的电解质表面上，然后进行干燥，得到的阴极涂层即基于原位反应的固体氧化物燃料电池阴极。本发明易于操作、成本较低且可以提高电池的性能。技术研发人员：陶泽天,童话,付敏受保护的技术使用者：南华大学技术研发日：技术公布日：2024/8/1