一種鋇鋯釔摻鈷的陰極材料體系及其制備方法技術(shù)

一種鋇鋯釔摻鈷的陰極材料體系及其制備方法，屬于電池陰極材料體系及制備方法。采用Y和Co共摻雜的方式，采用檸檬酸液相合成法制備初始粉體，選擇鈣鈦礦結(jié)構(gòu)BaZrO

Barium zirconium yttrium cobalt doped cathode material system and preparation method thereof

The invention relates to a barium zirconium yttrium cobalt doped cathode material system and a preparation method thereof, belonging to a battery cathode material system and a preparation method thereof. The initial powders were prepared by citric acid liquid phase synthesis using Y and Co Co doped methods, and perovskite structure BaZrO was selected

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種鋇鋯釔摻鈷的陰極材料體系及其制備方法
本專利技術(shù)涉及一種電池陰極材料體系及制備方法，特別是一種鋇鋯釔摻鈷的陰極材料體系及其制備方法。
技術(shù)介紹
化石能源作為人類能源的主要來源，由于其有限性和不可再生性，在全球范圍內(nèi)引起重要的能源危機，另一方面，火力發(fā)電及化石燃料的燃燒對環(huán)境造成嚴重的污染。為了緩解全世界所面臨的能源危機和環(huán)境污染的兩大難題，探索和利用清潔的、高效的新能源轉(zhuǎn)化技術(shù)，迫在眉睫。固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種新型發(fā)電裝置，其高效率、無污染、全固態(tài)結(jié)構(gòu)和對多種燃料氣體的廣泛適應(yīng)性等，是其廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。與氧離子導體型固體氧化物燃料電池(O-SOFC)相比，以高溫質(zhì)子導體為電解質(zhì)的固體氧化物燃料電池(H-SOFC)由于具有高的能量轉(zhuǎn)化效率和燃料利用率，低的傳導活化能，高的離子遷移數(shù)及高理論電動勢，受到廣泛的關(guān)注。高溫操作雖有電極化損失低、廢氣熱量可以回收利用等優(yōu)勢，但帶來一系列問題，如電池組成材料的緩慢分解及相間擴散，連接材料中Cr的揮發(fā)、電極容易燒結(jié)，電池堆密封困難、不同層間高溫熱失配等等，這都最終導致電池部件失效從而降低電池使用壽命。降低操作溫度，不僅可以提高SOFC的熱力學效率，而且還能解決高溫封裝困難的問題，減緩電池組成材料間的相互反應(yīng)，避免電極材料微結(jié)構(gòu)的退化。但是，隨著操作溫度的降低，電池的歐姆電阻和極化電阻都顯著的增加，且電池的極化電阻的增加幅度遠遠大于電池的歐姆電阻的增加，成為電池中的主要內(nèi)阻損失。而H-SOFC往往為了增加陰極與質(zhì)子電解質(zhì)的三相界面，擴大陰極反應(yīng)的面積，往往在氧離子導體的陰極材料中加入第二相質(zhì)子導電相，形成復合陰極，可以有效的降低陰極極化電阻，增加電池的性能。但是復合陰極中經(jīng)常出現(xiàn)化學相容性差，在長期工作過程中易產(chǎn)生第二相，降低電池是實際使用；其次復合陰極的復雜的制備過程進一步增加電池的制造成本，制約了SOFC商業(yè)化。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是要提供一種鋇鋯釔摻鈷的陰極材料體系及其制備方法，實現(xiàn)陰極材料與電解質(zhì)有很好的化學相容性和電池材料之間的熱匹配性以及電池的極化電阻和材料燒結(jié)溫度能達到更加理想的數(shù)值。本專利技術(shù)的目的是這樣實現(xiàn)的：本專利技術(shù)包括鋇鋯釔摻鈷的陰極材料體系及其制備方法；所述的陰極材料體系：在鋇鋯釔中摻雜過渡金屬離子Co和三價Y離子，提高質(zhì)子和電子導電能力，構(gòu)成BaZrO3質(zhì)子導體；具有較高的催化活性；BaZrO3質(zhì)子導體在含有H2O或CO2存在的氣氛中化學性能穩(wěn)定；與電解質(zhì)材料有良好的相匹配性。所述的陰極材料體系的制備方法為：采用Y和Co共摻雜的方式，采用檸檬酸液相合成法制備初始粉體，選擇鈣鈦礦結(jié)構(gòu)BaZrO3為基體，摻雜Y3+提高BaZrO3的質(zhì)子電導率，再添加過渡金屬元素Co，陰極材料具備電子電導率，隨著Co元素的增加電子電導率增加，提高材料的化學穩(wěn)定性；獲得質(zhì)子和電子混合導體型的陰極材料體系BaZr0.8-xCoxY0.2O3-δ其中x＝0.2，0.4，0.6。具體步驟為：1、本專利技術(shù)要制的陰極材料粉體為BaZr0.8-xCoxY0.2O3-δ其中x＝0.2，0.4，0.6，根據(jù)每種元素的摩爾質(zhì)量計算出所需原料：C4H6BaO4、Zr(NO3)4·3H2O、Y(NO3)3·6H2O、Co(NO3)2·6H2O的質(zhì)量；2、稱取鈷化物Co(NO3)2·6H2O和鋯化物Zr(NO3)4·3H2O于一干凈燒杯中，加50-100ml蒸餾水，再加10-15ml硝酸，加熱，攪拌至溶液澄清；3、稱量原料C4H6BaO4，Y(NO3)3·6H2O，及絡(luò)合劑檸檬酸，乙二胺四乙酸(EDTA)；絡(luò)合劑摩爾比為金屬離子：檸檬酸：EDTA＝1：1：0.8，四種物質(zhì)全部加入上一燒杯后，加30-50ml氨水，加熱，攪拌直至溶液澄清；4、將制備好的澄清溶液放入氧化鋁陶瓷鍋中加熱，攪拌至溶液變粘稠并發(fā)生劇烈的自燃燒反應(yīng)，待冷卻后收集，此為初始粉體，最后將初始粉體放入箱式爐中預燒1250℃-5h,制得電池陰極材料粉體。有益效果，由于采用了上述技術(shù)方案，利用Y和Co共摻雜的方式，獲得燒結(jié)活性、電導率、及化學穩(wěn)定性等綜合性能優(yōu)異的一種新型質(zhì)子和電子混合導體型的陰極材料體系BaZr0.8-xCoxY0.2O3-δ其中x＝0.2，0.4，0.6。經(jīng)過電化學性能測試后發(fā)現(xiàn)700℃時摻雜0.2Co的電導率達到0.036S/cm，摻雜0.4Co的電導率達到0.079S/cm，摻雜0.6Co的電導率達到0.587S/cm.此外，在高溫下也保持著良好的化學穩(wěn)定性。BaZr0.2Co0.6Y0.2O3-δ其中x＝0.2，0.4，0.6的Rp電導活化能為Ea＝107.02KJ/moL，具有較高的催化活性。本專利技術(shù)采用鋇鋯釔摻鈷為陰極材料，符合綜合性能良好的陰極材料的選擇，實現(xiàn)了陰極材料與電解質(zhì)有很好的化學相容性和電池材料之間的熱匹配性以及電池的極化電阻和材料燒結(jié)溫度能達到更加理想的數(shù)值，達到了本專利技術(shù)的目的。優(yōu)點：本專利技術(shù)的陰極材料同時具有質(zhì)子和電子傳導特性，具有良好的電化學性能，是一種綜合性能良好的單相質(zhì)子電子混合導電型的電池陰極材料。摻雜釔化物可提高質(zhì)子的電導率，摻鈷可使電導率增加從而減小界面極化電阻。附圖說明圖1為本專利技術(shù)的BaZr0.8-xCoxY0.2O3-δ其中x＝0.2，0.4，0.6預處理后粉體的XRD圖。圖2為本專利技術(shù)的BaZr0.8-xCoxY0.2O3-δ其中x＝0.2，0.4，0.6三種陰極粉體電導率與溫度的關(guān)系圖。圖3為本專利技術(shù)的實施例3BaZr0.2Co0.6Y0.2O3-δ燒結(jié)1250℃-5h，在不同溫度下的阻抗譜圖。圖4為本專利技術(shù)的BaZr0.8-xCoxY0.2O3-δ其中x＝0.2，0.4，0.6的Rp電導活化能圖。具體實施方式本專利技術(shù)包括鋇鋯釔摻鈷的陰極材料體系及其制備方法；所述的陰極材料體系：在鋇鋯釔中摻雜過渡金屬離子Co和三價Y離子，提高質(zhì)子和電子導電能力，構(gòu)成BaZrO3質(zhì)子導體；具有較高的催化活性；BaZrO3質(zhì)子導體在含有H2O或CO2存在的氣氛中化學性能穩(wěn)定；與電解質(zhì)材料有良好的相匹配性。所述的陰極材料體系的制備方法為：1、本專利技術(shù)要制的陰極材料粉體為BaZr0.8-xCoxY0.2O3-δ其中x＝0.2，0.4，0.6，根據(jù)每種元素的摩爾質(zhì)量計算出所需原料：C4H6BaO4、Zr(NO3)4·3H2O、Y(NO3)3·6H2O、Co(NO3)2·6H2O的質(zhì)量；2、稱取鈷化物Co(NO3)2·6H2O和鋯化物Zr(NO3)4·3H2O于一干凈燒杯中，加50-100ml蒸餾水，再加10-15ml硝酸，加熱，攪拌至溶液澄清；3、稱量原料C4H6BaO4，Y(NO3)3·6H2O，及絡(luò)合劑檸檬酸，乙二胺四乙酸(EDTA)；絡(luò)合劑摩爾比為金屬離子：檸檬酸：EDTA＝1：1：0.8，四種物質(zhì)全部加入上一燒杯后，加30-50ml氨水，加熱，攪拌直至溶液澄清；4、將制備好的澄清溶液放入氧化鋁陶瓷鍋中加熱，攪拌至溶液變粘稠并發(fā)生劇烈的自燃燒反應(yīng)，待冷卻后收集，此為初始粉體，最后將初始粉體放入箱式爐中預燒1250℃-5h,制得電池陰極材料粉體。實施例1：BaZr0.8-xCoxY0.2O3-δ陰極材料當x＝0.2時，根據(jù)每種元素的摩爾質(zhì)量計算出所需原料的質(zhì)量，計算完成后，首本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種鋇鋯釔摻鈷的陰極材料體系，其特征是：陰極材料體系：在鋇鋯釔中摻雜過渡金屬離子Co和三價Y離子，提高質(zhì)子和電子導電能力，構(gòu)成BaZrO

【技術(shù)特征摘要】
1.一種鋇鋯釔摻鈷的陰極材料體系，其特征是：陰極材料體系：在鋇鋯釔中摻雜過渡金屬離子Co和三價Y離子，提高質(zhì)子和電子導電能力，構(gòu)成BaZrO3質(zhì)子導體；具有較高的催化活性；BaZrO3質(zhì)子導體在含有H2O或CO2存在的氣氛中化學性能穩(wěn)定；與電解質(zhì)材料有良好的相匹配性。2.一種鋇鋯釔摻鈷的陰極材料體系的制備方法，其特征是：陰極材料體系的制備方法為：采用Y和Co共摻雜的方式，采用檸檬酸液相合成法制備初始粉體，選擇鈣鈦礦結(jié)構(gòu)BaZrO3為基體，摻雜Y3+提高BaZrO3的質(zhì)子電導率，再添加過渡金屬元素Co，陰極材料具備電子電導率，隨著Co元素的增加電子電導率增加，提高材料的化學穩(wěn)定性；獲得質(zhì)子和電子混合導體型的陰極材料體系BaZr0.8-xCoxY0.2O3-δ其中x＝0.2，0.4，0.6。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鋇鋯釔摻鈷的陰極材料體系的制備方法，其特征是：具體步驟為：(1)、本發(fā)明要制的陰極材料...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：凌意瀚，趙翼遙，郭天民，郭立童，歐雪梅，馮培忠，
申請(專利權(quán))人：中國礦業(yè)大學，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇,32