一种低温烧结高电导率固体氧化物电池功能层材料及其制备方法

1.本发明属于固体氧化物电池技术领域，尤其涉及一种固体氧化物电池的功能层材料及其制备方法。


背景技术：

2.固体氧化物电池(sofc)是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置，具有高效率、无污染、全固态结构的优点，能适应多种燃料气体，且不需要额外的重整装置。
3.固体氧化物电池结构主要包括阴极、阳极、电解质、支撑体等。其中，阴极是在高温下阴极材料催化氧气形成氧离子的电极。随着研究的进展，阴极材料发展出多种材质，从材质结构上可分为单钙钛矿abo3、双钙钛矿a2b2o5、尖晶石型ab2o4，以及层状钙钛矿 a2bo4，a位通常为碱金属或稀土金属元素，b位通常为fe、co、ni等过度元素。
4.固体氧化物电池结构主要包括阴极、阳极、电解质、支撑体等。其中，阴极是在高温下阴极材料催化氧气形成氧离子的电极。随着研究的进展，阴极材料发展出多种材质，从材质结构上可分为单钙钛矿abo3、双钙钛矿a2b2o5、尖晶石型ab2o4，以及层状钙钛矿 a2bo4，a位通常为碱金属或稀土金属元素，b位通常为fe、co、ni等过度元素。
5.此外，为了提高电池的长期稳定性、降低电极以及电解质材料成本，固体氧化物电池的发展趋势是中低温化，因此，还需要降低中低工作温度下阻隔层的阻抗。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明提供了一种用于固体氧化物电池的功能层及其制备方法，该功能层与lsfn化学相容性良好，且有不错的阻抗性能。
7.为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种用于固体氧化物电池阴极与电解质之间的功能层，所述功能层位于阴极与电解质之间，所述功能层的材料sm
0.2
ce
0.8-x
bi
xo2-δ
，其中，0≤x≤0.1，0≤δ≤0.1。
8.所述材料的制备方法如下：1)制备所述sm
0.2
ce
0.8-x
bi
xo2-δ
溶液；2)热处理所述溶液制得所述前驱体粉末；3)热处理步骤2)所得粉末，制得所述功能层材料。
9.进一步的，所述步骤1)包括如下步骤：a)将将sm2o3、ceo2，以及bi2o3溶于100ml去离子水中并混合均匀；b)在步骤a)所得混合液中加入浓硝酸和柠檬酸；c)使用氨水调节步骤b)所得混合液的ph至7-8，并于50-100℃下水浴。
10.进一步的，所述浓硝酸为30ml进一步的，所述柠檬酸所述功能层材料中金属离子的摩尔比为1.1：1。
11.进一步的，所述步骤2)包括：将步骤1)所述溶液置于蒸发皿中加热形成溶胶，最后燃烧。
12.进一步的，所述步骤3)包括：a)研磨所述前驱体粉末；b)于1000℃下保温步骤a)所得粉末3h；1)本发明的材料通过化学组成设计，在b位引入了铋的元素，该元素的离子与铈离子半径相差不大故基本不改变晶格常数2)本发明的材料，与常用阴极材料lsfn化学相容性良好，且烧结温度降低，可于1200℃下烧结完成3)本发明的材料相比常规sdc，其电导率更高，有利于固体氧化物电池的反应的进行。
附图说明
13.图1为本发明材料与常规sdc和lsfn混合后的xrd图；图2为本发明材料与常规sdc及其它掺杂比的sbdc的xrd图，(a)为sdc，(b)为sbdc
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5，(c)为sbdc-7，(d)为sbdc-10；图3为本发明材料与常规sdc及其它掺杂比的sbdc的电导率图；图4为本发明材料的xrd图；
具体实施方式
14.以下结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步详细描述：实施实例一：采用溶胶凝胶法合成sdc功能层粉体。按照sm
0.2
ce
0.8-x
bi
xo2-δ
化学计量比配制，其中x＝0，将sm2o3和ceo2，分别溶于去离子水中，加入约30ml浓硝酸并不断搅拌，并以金属离子和柠檬酸摩尔比为1:1.1的比例加柠檬酸并不断地搅拌，使之形成均匀溶液，并用氨水调节溶液ph至7-8之间。然后于将溶液置于蒸发皿中加热，形成凝胶，直至自燃烧形成蓬松的 sdc前驱体粉末。将粉末进行研磨，放入高温炉中进行焙烧，温度为1000℃，保温时间为 3h，使其中的有机物充分分解。将上述粉末进行研磨后，压制成型，放入高温炉中进行焙烧，温度为1200℃，保温时间为6h。将取出的sdc用于xrd测量、电镜扫描，以及阻抗测量。
15.实施实例二：采用溶胶凝胶法合成sbdc-5功能层粉体。按照sm
0.2
ce
0.8-x
bi
xo2-δ
化学计量比配制，其中 x＝0.05，将sm2o3、ceo2，以及bi2o3分别溶于去离子水中，加入约30ml浓硝酸并不断搅拌，并以金属离子和柠檬酸摩尔比为1:1.1的比例加柠檬酸并不断地搅拌，使之形成均匀溶液，并用氨水调节溶液ph至7-8之间。然后于将溶液置于蒸发皿中加热，形成凝胶，直至自燃烧形成蓬松的sbdc-5前驱体粉末。将粉末进行研磨，放入高温炉中进行焙烧，温度为1000℃，保温时间为3h，使其中的有机物充分分解。将上述粉末进行研磨后，压制成型，放入高温炉中进行焙烧，温度为1200℃，保温时间为6h。将取出的sdc用于xrd测量、电镜扫描，以及阻抗测量。
16.实施实例三：
采用溶胶凝胶法合成sbdc-7功能层粉体。按照sm
0.2
ce
0.8-x
bi
xo2-δ
化学计量比配制，其中 x＝0.07，将sm2o3、ceo2，以及bi2o3分别溶于去离子水中，加入约30ml浓硝酸并不断搅拌，并以金属离子和柠檬酸摩尔比为1:1.1的比例加柠檬酸并不断地搅拌，使之形成均匀溶液，并用氨水调节溶液ph至7-8之间。然后于将溶液置于蒸发皿中加热，形成凝胶，直至自燃烧形成蓬松的sbdc-7前驱体粉末。将粉末进行研磨，放入高温炉中进行焙烧，温度为1000℃，保温时间为3h，使其中的有机物充分分解。将上述粉末进行研磨后，压制成型，放入高温炉中进行焙烧，温度为1200℃，保温时间为6h。将取出的sdc用于xrd测量、电镜扫描，以及阻抗测量。
17.实施实例四：采用溶胶凝胶法合成sbdc-10功能层粉体。按照sm
0.2
ce
0.8-x
bi
xo2-δ
化学计量比配制，其中 x＝0.1，将sm2o3、ceo2，以及bi2o3分别溶于去离子水中，加入约30ml浓硝酸并不断搅拌，并以金属离子和柠檬酸摩尔比为1:1.1的比例加柠檬酸并不断地搅拌，使之形成均匀溶液，并用氨水调节溶液ph至7-8之间。然后于将溶液置于蒸发皿中加热，形成凝胶，直至自燃烧形成蓬松的sbdc-10前驱体粉末。将粉末进行研磨，放入高温炉中进行焙烧，温度为1000℃，保温时间为3h，使其中的有机物充分分解。将上述粉末进行研磨后，压制成型，放入高温炉中进行焙烧，温度为1200℃，保温时间为6h。将取出的sdc用于xrd测量、电镜扫描，以及阻抗测量。
18.通过对比以上实施例获得的性能数据可知，掺杂7％与10％的bi的sdc可在1200℃下完成烧结，而未掺杂的sdc或者掺杂量不够的sdc则依旧存在颗粒大小不均匀，存在孔隙的情况。此外通过比较电导率曲线可以得知，掺杂bi的sdc，均会比未掺杂bi的sdc 的电导率要高，其中，掺杂7％bi的sdc拥有最高的电导率。
19.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。