一种含钪固体氧化物的电池电极材料及其制备方法和应用

本发明涉及电极材料，尤其涉及一种含钪固体氧化物的电池电极材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，sofc)和固体氧化物电解电池(solid oxide electrolysis cell，soec)技术被认为是未来能源转型的关键技术之一。sofc是一种在中高温下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、对多种燃料具有广泛适应性等优点。soec作为sofc的逆向装置，能够利用可再生能源将水或二氧化碳等化合物电解分解为氢气或一氧化碳等可燃气体和氧气。与传统的电解技术相比，soec具有更高的能源转化效率和更广泛的工作温度范围，有望在能源储存、工业气体制备以及碳排放减少等领域发挥重要作用。

2、对称固体氧化物电池(symmetrical solid oxide cell，ssoc)与传统的非对称结构的相比，具有更简单的制备工艺和更高的长期可靠性。其采用对称的电极结构，将固体氧化物电池(sofc)和固体氧化物电解电池(soec)的功能合而为一。这种设计简化了电池结构，降低了制造成本，并提高了电池的稳定性和耐久性。随着对新型材料和先进工艺的研究不断深入，ssoc有望在清洁能源和可持续发展领域发挥更为重要的作用。然而，ssoc的性能很大程度上受到电极材料催化性能的影响。与传统的同类产品不同，ssoc需要能够同时催化两个或多个电极反应的电极材料，这对电极催化剂的设计提出了更高的要求。新型的多功能催化剂在燃料电池模式下，需要同时具有良好的氧还原反应(orr)，和氢氧化反应(hor)催化活性；在电解电池模式下，燃料电极在电解水时发生析氢反应(her)，电解co2时发生co2还原反应(co2-rr)，同时空气电极处发生析氧反应(oer)。因此，ssoc对电极催化剂的多功能性和稳定性耐久性提出了更高的要求，需要深入研究电极材料的设计和合成，以提高其催化活性和电化学性能，实现ssoc的高效能源转换。

3、目前，srfeo3-δ基钙钛矿作为有效的混合离子和电子导体脱颖而出，特别是在sofc/soec中用作空气电极。但是srfeo3-δ在氢气下易分解，在co2气氛中易发生偏析反应生产srco3。这种分解和偏析反应严重影响了srfeo3-δ在燃料电极应用中的稳定性，限制了其长期可靠运行。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种含钪固体氧化物的电池电极材料及其制备方法和应用。

2、本发明是采用以下技术方案实现的：

3、一种含钪固体氧化物的电池电极材料，其结构式如下：

4、sr1-afe1-y-zscycozo3-δ，其中0.03≤a≤0.15，0.05≤y≤0.2，0.1≤z≤0.2。

5、本发明所述含钪固体氧化物的电池电极材料的制备方法，包括以下步骤：

6、步骤一：按化学计量比，称取含有sr、fe、sc、co元素的粉末，加入无水乙醇进行搅拌处理，获得固液混合物；

7、步骤二：将所述固液混合物进行球磨，直至充分混合均匀；

8、步骤三：将步骤二球磨后的固液混合物进行烘干，得到混合粉末；在所述混合粉末中加入粘结剂，混合均匀后置于模具中，压制成圆片，再将所述圆片在空气中600～900℃下预烧3～5h；

9、步骤四：将步骤三预烧后的圆片进行粉碎处理，得到粒径为200～500nm的圆片粉末；然后在所述圆片粉末中加入粘结剂，混合均匀后置于模具中，压制成圆片；再将圆片在空气中1000～1200℃下烧结10～12h，得到含钪固体氧化物的电池电极材料。

10、优选的，步骤一所述含有sr、fe、sc、co元素的粉末分别为碳酸锶三氧化二铁、三氧化二钪、三氧化二钴。

11、优选的，步骤二球磨的转速为350～500rpm，球磨时间为12～24h，每6h暂停3h。

12、优选的，步骤三中所述粘结剂的加入量占所述混合粉末质量的2％～5％；所述粘结剂为pva、pvb、乙基纤维素中的一种或几种。

13、进一步优选的，步骤三所述压制是在5～10mpa的单向压力下挤压1～3min。

14、优选的，步骤四所述粉碎处理是将圆片超声处理0.5～5h，再进行机械球磨处理；所述超声频率为40khz，单位容积功率为30～36w/l；球磨转速400～500rpm，球磨时间为18～24h，每6h暂停3h。

15、优选的，步骤四中粘结剂占所述圆片粉末质量的2％～5％；所述粘结剂为pva、pvb、乙基纤维素中的一种或几种；步骤四所述压制是在10～15mpa的单向压力下挤压1～3min，得到圆片。

16、本发明还提供了所述含钪固体氧化物的电池电极材料的应用，具体是将所述电极电极材料制成一种多孔电极层的对称固体氧化物电池，具体步骤如下：

17、s1、将所述电池电极材料进行粉碎后，得到粒径为200～500nm的电池电极材料粉末；

18、将所述电池电极材料粉末和gd0.1ce0.9o1.95按照质量比60:40组成复合电极粉末；

19、将所述复合电极粉末和粘结剂按照质量比65:35～50:50混合，然后加入造孔剂，研磨混合均匀后得到电极浆料；所述电极浆料中造孔剂的质量浓度为5％～10％；

20、s2、将所述电极浆料涂覆于电解质层两侧，在空气气氛下烧结获得多孔电极层的对称固体氧化物电池。

21、优选的，步骤s2烧结温度为900～1100℃，烧结时间为2～5h。

22、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

23、本发明提供了一种含钪固体氧化物的电池电极材料(sfsc)，其具有钙钛矿结构，具有成分较简单、均匀，合成工艺较简单等特点。以sfsc作为燃料电极，对h2氧化和co2还原具有快速催化的作用，同时，sfsc中析出的金属纳米颗粒可进一步提升其催化活性。以sfsc作为空气电极，对氧还原和氧析出反应也具有良好的催化活性。以本发明的sfsc用于制备对称固体氧化物电池，可以在燃料电池模式使用氢气放电，在电解电池模式电解co2生产co，并且具有良好的稳定性，表现出良好的电化学性能。

技术特征：

1.一种含钪固体氧化物的电池电极材料，其特征在于，所述电池电极材料的结构式如下：

2.根据权利要求1所述含钪固体氧化物的电池电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤一所述含有sr、fe、sc、co元素的粉末分别为碳酸锶三氧化二铁、三氧化二钪、三氧化二钴。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤二球磨的转速为350～500rpm，球磨时间为12～24h，每6h暂停3h。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤三中所述粘结剂的加入量占所述混合粉末质量的2％～5％；所述粘结剂为pva、pvb、乙基纤维素中的一种或几种。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤三所述压制是在5～10mpa的单向压力下挤压1～3min。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤四所述粉碎处理是将圆片超声处理0.5～5h，再进行机械球磨处理；所述超声频率为40khz，单位容积功率为30～36w/l；球磨转速400～500rpm，球磨时间为18～24h，每6h暂停3h。

8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤四中粘结剂占所述圆片粉末质量的2％～5％；所述粘结剂为pva、pvb、乙基纤维素中的一种或几种；步骤四所述压制是在10～15mpa的单向压力下挤压1～3min，得到圆片。

9.根据权利要求1所述含钪固体氧化物的电池电极材料的应用，其特征在于，将所述电极电极材料制成一种多孔电极层的对称固体氧化物电池，具体步骤如下：

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，步骤s2烧结温度为900～1100℃，烧结时间为2～5h。

技术总结
本发明提供了一种含钪固体氧化物的电池电极材料及其制备方法和应用，涉及电极材料技术领域。本发明电池电极材料的结构式如下：Sr<subgt;1‑a</subgt;Fe<subgt;1‑y‑z</subgt;Sc<subgt;y</subgt;Co<subgt;z</subgt;O<subgt;3‑δ</subgt;，其中0.03≤a≤0.15，0.05≤y≤0.2，0.1≤z≤0.2。本发明含钪固体氧化物的电池电极材料(SFSC)，其具有钙钛矿结构，具有成分较简单、均匀，合成工艺较简单等特点。以SFSC作为燃料电极，对H<subgt;2</subgt;氧化和CO<subgt;2</subgt;还原具有快速催化的作用，同时，SFSC中析出的金属纳米颗粒可进一步提升其催化活性。以SFSC作为空气电极，对氧还原和氧析出反应也具有良好的催化活性。以本发明的SFSC用于制备对称固体氧化物电池，可以在燃料电池模式使用氢气放电，在电解电池模式电解CO<subgt;2</subgt;生产CO，并且具有良好的稳定性，表现出良好的电化学性能。

技术研发人员：池波,杨偲晨,田云峰,巩英鹏,陈亮,蒲健
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29