一种镂空辅助自支撑可逆固体氧化物电池及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种镂空辅助自支撑可逆固体氧化物电池及其制备方法和应用，属于固体氧化物电池。

背景技术：

1、随着经济的进一步发展，人们的生产生活对能源的需求日益增长，目前我国的电力供应仍然主要依靠化石能源进行火力发电，然而化石能源是不可再生资源，这就要求大力发展利用可再生能源技术。由于可再生能源发电具有波动性和不确定性，导致进行大规模可再生能源并网时需要电网频繁调频以保持电力供需平衡。提升电网调频能力的关键是储能技术，常见的储能技术有机械储能、电化学储能、电磁储能等。可逆固体氧化物电池是一种新型电化学装置，其逆向运行时(储能模式)作为固体氧化物电解槽，将电能转化为燃料化学能，其正向工作时(发电模式)作为固体氧化物电池，将燃料化学能转化为电能，通过双向运行的切换可以灵活地实现对电网的储能调频，在电力短缺时产生电能，在电力过剩时将电能储存为燃料化学能。可逆固体氧化物电池的基本功能性组成单元通常包括致密电解质组件和多孔的阳极与阴极。从电池单体的力学承载组件来看，可以分为电解质支撑型、电极支撑型以及其它支撑体支撑型。从外形来看，可以分为管式、平板式、瓦楞式结构等。由于电网储能调频切换频繁，对可逆固体氧化物电池单体氧化还原循环稳定性要求很高，电解质支撑平板构型相对而言是一种比较可行的方案。通常先采用流延法等制得电解质层，再在电解质层两侧分别采用喷涂、丝网印刷等方法制得阳极和阴极。电流流程短、分布均匀，而且工艺简单可控、造价成本低。然而，电解层厚度一般需要达到200μm左右才能保证电池单体的力学强度，过厚的电解质层使得电池整体的欧姆电阻比较高，难以达到一个较大的功率密度输出。因此，如何在保证机械力学强度前提下降低电解质层的厚度成为提高可逆固体氧化物电池性能的关键因素。

技术实现思路

1、本发明的目的是，克服现有技术的缺陷，提供一种镂空辅助自支撑可逆固体氧化物电池及其制备方法和应用，能够保证整体力学强度的前提下大幅度降低电解质层的有效厚度，使电池达到较大的功率密度输出。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、一种镂空辅助自支撑可逆固体氧化物电池制备方法，包括以下步骤：

4、将电解质粉体、分散剂、粘结剂、增塑剂和溶剂混合球磨得到电解质浆料；

5、将电解质浆料通过流延机器制得电解质膜生坯，将电解质膜生坯通过激光切割后分别得到电解质功能层生坯和镂空辅助支撑层生坯；

6、将镂空辅助支撑层生坯分别粘接在电解质功能层生坯上下两侧，平置且在微压力作用下，镂空辅助支撑层生坯和电解质功能层生坯充分溶合成为整体结构，将整体结构在高温下烧结，得到镂空辅助支撑电解质陶瓷片；

7、先在镂空辅助支撑电解质陶瓷片一侧涂敷阳极浆料，干燥后高温下共烧结，随后在镂空辅助支撑电解质陶瓷片另一侧涂敷阴极浆料，干燥后高温下共烧结。

8、所述电解质粉体包括钇稳定氧化锆或者钪稳定氧化锆；所述分散剂包括蓖麻油或者鱼油；所述溶剂包括乙醇或者二甲苯；所述粘结剂包括聚乙烯醇缩丁醛；所述增塑剂包括邻苯二甲酸丁二醇酯。

9、以质量计，电解质粉体、分散剂、粘结剂、增塑剂和溶剂的比例为：35～50：0.5～3：2～5：1～4：40～55。

10、混合球磨时间为12～24h，速度为200～300rpm。

11、电解质功能层生坯和镂空辅助支撑层生坯的厚度均分别为70～120μm。

12、微压力的计示压强为5～50kpa，平置时间为1～24h。

13、整体结构在高温下烧结温度为1350～1450℃，时间为12～24h。

14、阳极浆料共烧结温度为1200～1300℃，阴极浆料共烧结温度为1000～1200℃。

15、一种镂空辅助自支撑可逆固体氧化物电池，由上述镂空辅助自支撑可逆固体氧化物电池制备方法制备得到。

16、一种镂空辅助自支撑可逆固体氧化物电池的应用，所述应用的范围包括电网发电、储能及调频。

17、本发明的有益效果：

18、(1)本发明镂空辅助支撑电解质陶瓷片的层间结合紧密，结构稳定，具有优异的力学性能，其所具备的结构特点能保证整体力学强度的前提下大幅度降低了电解质层的有效厚度，提高制品的工作性能，能有效代替传统的厚膜型电解质层；

19、(2)本发明自镂空辅助支撑电解质陶瓷片的制备工艺成熟，生产成本低，便于规模化生产；采用激光切割制备镂空辅助支撑层，可调性强、效率高；此外，电解质功能层和镂空辅助支撑层通过粘接的方式溶合成整体，可以方便调控各层的材料、结构、厚度等；

20、(3)本发明基于钇稳定的氧化锆电解质材料制备的镂空辅助自支撑可逆固体氧化物电池，在有效保证机械力学强度的前提下，将电解质功能层的厚度降低到了80μm左右，在800℃时电池单体具有优异的输出性能，10000小时双向运行切换性能未发生明显的衰减。

技术特征：

1.一种镂空辅助自支撑可逆固体氧化物电池制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种镂空辅助自支撑可逆固体氧化物电池制备方法，其特征在于：所述电解质粉体包括钇稳定氧化锆或者钪稳定氧化锆；所述分散剂包括蓖麻油或者鱼油；所述溶剂包括乙醇或者二甲苯；所述粘结剂包括聚乙烯醇缩丁醛；所述增塑剂包括邻苯二甲酸丁二醇酯。

3.根据权利要求1所述一种镂空辅助自支撑可逆固体氧化物电池制备方法，其特征在于：以质量计，电解质粉体、分散剂、粘结剂、增塑剂和溶剂的比例为：35～50：0.5～3：2～5：1～4：40～55。

4.根据权利要求1所述一种镂空辅助自支撑可逆固体氧化物电池制备方法，其特征在于：混合球磨时间为12～24h，速度为200～300rpm。

5.根据权利要求1所述一种镂空辅助自支撑可逆固体氧化物电池制备方法，其特征在于：电解质功能层生坯和镂空辅助支撑层生坯的厚度均分别为70～120μm。

6.根据权利要求1所述一种镂空辅助自支撑可逆固体氧化物电池制备方法，其特征在于：微压力的计示压强为5～50kpa，平置时间为1～24h。

7.根据权利要求1所述一种镂空辅助自支撑可逆固体氧化物电池制备方法，其特征在于：整体结构在高温下烧结温度为1350～1450℃，时间为12～24h。

8.根据权利要求1所述一种镂空辅助自支撑可逆固体氧化物电池制备方法，其特征在于：阳极浆料共烧结温度为1200～1300℃，阴极浆料共烧结温度为1000～1200℃。

9.一种镂空辅助自支撑可逆固体氧化物电池，其特征在于：由权利要求1到8任一项所述镂空辅助自支撑可逆固体氧化物电池制备方法制备得到。

10.一种权利要求9所述镂空辅助自支撑可逆固体氧化物电池的应用，其特征在于：所述应用的范围包括电网发电、储能及调频。

技术总结
本发明公开了一种镂空辅助自支撑可逆固体氧化物电池及其制备方法和应用，所述制备方法包括以下步骤：将电解质粉体、分散剂、粘结剂、增塑剂和溶剂混合球磨得到电解质浆料；通过流延机器制得电解质膜生坯；将镂空辅助支撑层生坯分别粘接在电解质功能层生坯上下两侧，平置且在微压力作用下溶合成为整体结构，在高温下烧结，得到镂空辅助支撑电解质陶瓷片；先在镂空辅助支撑电解质陶瓷片一侧涂敷阳极浆料，干燥后高温下共烧结，随后在另一侧涂敷阴极浆料，干燥后高温下共烧结。本发明公开的一种镂空辅助自支撑可逆固体氧化物电池及其制备方法和应用，能够保证整体力学强度的前提下大幅度降低电解质层的有效厚度，使电池达到较大的功率密度输出。

技术研发人员：陈大宣,梁文军,翁海峰,陈剑光,高波,陈海锋,孙若笛,徐陈成,陈海良,殷佳尉,许正同,刘春江
受保护的技术使用者：中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22