CN116969506A - 固体氧化物燃料电池的电解质材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种固体氧化物燃料电池的电解质材料及其制备方法，涉及电解质材料的制备技术领域，制备方法包括：制备具有锂元素的熔盐溶剂；制备由硝酸锆以及氧化钇组成的粉体试剂；将粉体试剂与熔盐溶剂进行混料，得到混合物料；将混合物料进行烧结，得到中间材料；将中间材料倒入水中，经过处理工艺后得到电解质材料。本发明的技术方案中，采用熔盐法合成电解质材料，制备方法简单，优化了电解质材料的成型尺寸，可以满足微纳米尺寸以及均一化的要求。熔盐溶剂包括卤化锂，在合成电解质材料的过程中，以锂元素的卤化物为形核质点，整体形貌是碗型的，有利于在烧结过程中形核，并且在进行烧结时，熔点可以更低，有助于在制备过程中实现节能。
Description
技术领域
本发明涉及电解质材料的制备技术领域，具体而言，涉及一种固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法和一种固体氧化物燃料电池的电解质材料。
背景技术
对于固体氧化物燃料电池的电解质层而言，要求具有较好的致密性。对于制备电解质层的电解质材料而言（例如为YSZ，表示一类掺杂稀土元素钇的氧化锆，常常称作钇稳定氧化锆），传统制备方法是烧结、电熔、溶剂热法、化学法、沉淀法等。通过烧结制备得到的电解质材料容易出现以下问题：得到的电解质材料烧结不充分，微纳米尺寸很难形成或达到均一化。通过电熔、溶剂热法、化学法或沉淀法得到的电解质材料的制备工艺较为复杂。如何简化制备工艺，优化得到的电解质材料的成型尺寸是目前亟需解决的问题。
发明内容
为了解决或改善制备工艺较为复杂且无法优化得到的电解质材料的成型尺寸的技术问题，本发明的一个目的在于提供一种固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法。
本发明的另一个目的在于提供一种固体氧化物燃料电池的电解质材料。
为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，包括：制备由金属卤化物组成的熔盐溶剂；制备由硝酸锆以及氧化钇组成的粉体试剂；将粉体试剂与熔盐溶剂进行混料，得到混合物料；将混合物料进行烧结，得到中间材料；将中间材料倒入水中，经过处理工艺后得到电解质材料。
根据本发明提供的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法的技术方案，采用熔盐法合成电解质材料，第一方面，制备方法简单；第二方面，优化了电解质材料的成型尺寸，可以满足微纳米尺寸以及均一化的要求。熔盐溶剂包括卤化锂，在合成电解质材料的过程中，以锂元素的卤化物为形核质点，整体形貌是碗型的，有利于在烧结过程中形核。此外，由于熔盐溶剂含有锂元素，进行烧结时，熔点可以更低，有助于在制备过程中实现节能。
固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）属于第三代燃料电池，是一种能够在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效转化为电能的全固态化学发电装置。
具体而言，固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法的步骤包括：
第一步，制备具有锂元素的熔盐溶剂。熔盐是盐类熔化后形成的熔融体，例如碱金属、碱土金属的卤化物、硝酸盐、硫酸盐的熔融体。可选地，熔岩溶剂由金属卤化物组成，且金属卤化物包括卤化锂，从而熔岩溶剂具有锂元素。在含有卤素的二元化合物中，卤素（卤族元素，包括氟元素、氯元素、溴元素和碘元素）呈负价的化合物称为卤化物。按照组成卤化物元素的属性分为金属卤化物和非金属卤化物。碱金属的卤化物和碱土金属的卤化物多数为离子型，特点为熔点和沸点高，易溶于水。可选地，本步骤中的金属卤化物为离子型碱金属卤化物，后续步骤中将中间材料倒入水中可去除熔盐溶剂。可选地，在熔盐溶剂中，卤化锂与其它金属的卤化物按照一定物质的量的比例进行组合。本发明限定的技术方案中，采用熔盐法合成电解质材料。熔盐溶剂包括卤化锂，在后续步骤合成电解质材料的过程中，以锂元素的卤化物为形核质点，整体形貌是碗型的，有利于在烧结过程中形核。此外，由于熔盐溶剂含有锂元素，在后续步骤中进行烧结时，熔点可以更低（最低可以是750℃），有助于在制备过程中实现节能。
第二步，制备由硝酸锆Zr(NO3)4以及氧化钇Y2O3组成的粉体试剂。可选地，将硝酸锆与氧化钇按照原子比为100：4的比例进行混合，得到粉体试剂。添加硝酸锆的主要目的在于提供锆元素，并且硝酸锆在后续步骤中可以分解为氧化锆；添加氧化钇的主要目的在于为反应物提供钇元素。
第三步，将粉体试剂与熔盐溶剂进行混料，得到混合物料。可选地，将粉体试剂与熔盐溶剂通过混料机进行混料，得到混合物料。可选地，在混料过程中环境温度为90℃至120℃；在混料过程中混料机的转速为100r/min至200r/min；混料时长为2h至10h。可选地，当环境温度为120℃时，在机械能和热能的作用下，硝酸锆能够分解为氧化锆，并且在混料过程中由于球磨存在，会产生物质物理尺寸的变小。在混料过程中，各组分之间趋于均匀化，且能够实现颗粒的细化，更加微观；在混料过程中，还会发生化学反应，例如分解反应（硝酸锆分解为氧化锆）。
第四步，将混合物料进行烧结，得到中间材料。烧结是把粉状物料转变为致密体的工艺过程。粉体经过成型后，通过烧结得到的致密体是一种多晶材料。烧结过程直接影响显微结构中的晶粒尺寸、气孔尺寸及晶界形状和分布，进而影响材料的性能。可选地，将混合物料装入陶瓷罐中进行密封，将装有混合物料的陶瓷罐放入马弗炉中进行烧结。马弗炉即箱式炉。可选地，在烧结过程中，环境温度为750℃至950℃，并且保温时间为4h至20h。
第五步，将中间材料倒入水中，经过处理工艺后得到电解质材料。可选地，将中间材料倒入清水中，通过离心、过滤以及烘干等一系列处理工艺得到微纳米YSZ粉体。此处的微纳米YSZ粉体即为电解质材料。YSZ表示一类掺杂稀土元素钇的氧化锆，也表示为钇稳定氧化锆。本步骤中将中间材料倒入清水中的目的为去除熔盐溶剂。
本发明限定的技术方案中，采用熔盐法合成电解质材料，第一方面，制备方法简单；第二方面，优化了电解质材料的成型尺寸，可以满足微纳米尺寸以及均一化的要求。熔盐溶剂包括卤化锂，在合成电解质材料的过程中，以锂元素的卤化物为形核质点，整体形貌是碗型的，有利于在烧结过程中形核。此外，由于熔盐溶剂含有锂元素，进行烧结时，熔点可以更低，有助于在制备过程中实现节能。
通过本发明的制备方法制备出的电解质材料在结构和形貌上具有特定的优势，即通过熔盐法制备得到的YSZ粉体相对于通过传统的烧结法制备得到的YSZ粉体而言，具有特定的优势。通过熔盐法制备得到的YSZ粉体与乙醇溶剂匹配性高，适合用于等离子喷涂工艺中使用的悬浮浆料。此外，通过熔盐法制备得到的YSZ粉体形成的混悬液，能够保持持久（可达8个小时左右）的悬浮特性。
另外，本发明提供的上述技术方案还可以具有如下附加技术特征：
在一些技术方案中，可选地，制备具有锂元素的熔盐溶剂，具体为：制备由金属卤化物组成的熔盐溶剂，金属卤化物包括卤化锂。
在该技术方案中，熔岩溶剂由金属卤化物组成，且金属卤化物包括卤化锂，从而熔岩溶剂具有锂元素。在含有卤素的二元化合物中，卤素（卤族元素，包括氟元素、氯元素、溴元素和碘元素）呈负价的化合物称为卤化物。按照组成卤化物元素的属性分为金属卤化物和非金属卤化物。碱金属的卤化物和碱土金属的卤化物多数为离子型，特点为熔点和沸点高，易溶于水。可选地，本步骤中的金属卤化物为离子型碱金属卤化物，后续步骤中将中间材料倒入水中可去除熔盐溶剂。可选地，在熔盐溶剂中，卤化锂与其它金属的卤化物按照一定物质的量的比例进行组合。本发明限定的技术方案中，采用熔盐法合成电解质材料。熔盐溶剂包括卤化锂，在后续步骤合成电解质材料的过程中，以锂元素的卤化物为形核质点，整体形貌是碗型的，有利于在烧结过程中形核。此外，由于熔盐溶剂含有锂元素，在后续步骤中进行烧结时，熔点可以更低（最低可以是750℃），有助于在制备过程中实现节能。
在一些技术方案中，可选地，金属卤化物还包括卤化钠。
在该技术方案中，卤化钠作为主要熔盐溶剂，使硝酸锆以及氧化钇在液相环境下进行反应并生成所需产物（中间材料）。卤化钠作为溶剂的其中之一，可以起到分散化合物的作用。后续步骤中将中间材料倒入水中可去除多余的熔盐溶剂，以得到纯净的反应产物。可选地，卤化钠为氯化钠。
在一些技术方案中，可选地，金属卤化物还包括卤化钾。
在该技术方案中，卤化钾作为主要熔盐溶剂，使硝酸锆以及氧化钇在液相环境下进行反应并生成所需产物（中间材料）。后续步骤中将中间材料倒入水中可去除多余的熔盐溶剂，以得到纯净的反应产物。可选地，卤化钾为氯化钾。
在一些技术方案中，可选地，卤化钠的物质的量、卤化钾的物质的量以及卤化锂的物质的量之间的比例关系为（1~3）：（1~4）：（1~5）。
在该技术方案中，卤化锂的物质的量为熔盐溶剂的物质的量的八分之一至七分之五。通过控制卤化锂在熔盐溶剂中物质的量的占比，一方面，可以确保熔盐溶剂中包含足够多的卤化锂（足够多的锂元素）；另一方面，可以避免卤化锂的物质的量过多，有利于控制成本。可选地，卤化锂为氯化锂。熔盐溶剂包括氯化锂，在合成电解质材料的过程中，以氯化锂为形核质点，整体形貌是碗型的，有利于在烧结过程中形核。此外，由于熔盐溶剂含有锂元素，进行烧结时，熔点可以更低，有助于在制备过程中实现节能。
进一步地，卤化钠的物质的量为熔盐溶剂的物质的量的十分之一至五分之三。通过控制卤化钠在熔盐溶剂中物质的量的占比，一方面，可以确保熔盐溶剂中包含足够多的卤化钠；另一方面，可以避免卤化钠的物质的量过多，有利于控制成本。
进一步地，卤化钾的物质的量为熔盐溶剂的物质的量的九分之一至三分之二。通过控制卤化钾在熔盐溶剂中物质的量的占比，一方面，可以确保熔盐溶剂中包含足够多的卤化钾；另一方面，可以避免卤化钾的物质的量过多，有利于控制成本。
在一些技术方案中，可选地，卤化锂为氯化锂。
在该技术方案中，熔盐溶剂包括氯化锂，在合成电解质材料的过程中，以氯化锂为形核质点，整体形貌是碗型的，有利于在烧结过程中形核。
在一些技术方案中，可选地，卤化钠为氯化钠。
在该技术方案中，氯化钠作为主要熔盐溶剂，可以起到分散化合物的作用，使硝酸锆以及氧化钇在液相环境下进行反应并生成所需产物（中间材料）。
在一些技术方案中，可选地，卤化钾为氯化钾。
在该技术方案中，氯化钾作为主要熔盐溶剂，使硝酸锆以及氧化钇在液相环境下进行反应并生成所需产物（中间材料）。后续步骤中将中间材料倒入水中可去除多余的熔盐溶剂，以得到纯净的反应产物。
在一些技术方案中，可选地，制备由硝酸锆以及氧化钇组成的粉体试剂，具体为：将硝酸锆与氧化钇按照原子比为100：4的比例进行混合，得到粉体试剂。
在该技术方案中，通过控制硝酸锆与氧化钇的混合比例，确定预制粉体成型后分子式的原子比，以制备出YSZ粉体。
在一些技术方案中，可选地，将粉体试剂与熔盐溶剂进行混料，得到混合物料，具体为：将粉体试剂与熔盐溶剂通过混料机进行混料，得到混合物料。
在该技术方案中，通过混料机对粉体试剂与熔盐溶剂进行充分混合。此外，通过控制混料时的温度、转速以及时间，确保粉体试剂与熔盐溶剂可以在适宜条件下进行充分混合。
在一些技术方案中，可选地，将粉体试剂与熔盐溶剂通过混料机进行混料，得到混合物料，具体为：将粉体试剂与熔盐溶剂通过混料机在第一温度阈值下以第一转速阈值运转第一时间阈值进行混料，得到混合物料。
在该技术方案中，通过控制混料时的温度、转速以及时间，确保粉体试剂与熔盐溶剂可以在适宜条件下进行充分混合。
在一些技术方案中，可选地，第一温度阈值为90℃至120℃。
在该技术方案中，通过将混料时的环境温度控制在90℃至120℃，一方面，环境温度不会过低，确保粉体试剂与熔盐溶剂可以在适宜条件下进行充分混合；另一方面，环境温度不会过高，有利于控制能耗。
在一些技术方案中，可选地，第一转速阈值为100r/min至200r/min。
在该技术方案中，通过将混料机的转速控制在100r/min至200r/min，一方面，可以避免混料机的转速过快，有利于控制能耗；另一方面，可以避免混料机的转速过慢，从而确保粉体试剂与熔盐溶剂可以在混料机的辅助下进行充分混合。
在一些技术方案中，可选地，第一时间阈值为2h至10h。
在该技术方案中，通过将混料时长控制在2h至10h，一方面，可以避免混料时长过短，从而确保粉体试剂与熔盐溶剂可以在混料机的辅助下进行充分混合；另一方面，可以避免混料时长过长，以提高整体制备效率。
在一些技术方案中，可选地，将混合物料进行烧结，得到中间材料，具体为：将混合物料以第二温度阈值进行烧结，并保温第二时间阈值，得到中间材料。
在该技术方案中，通过在烧结的过程中控制温度以及保温时间，确保制备出中间材料，以供后续步骤使用。精确控制烧结时的温度以及保温时间还可以在一定程度上优化电解质材料的成型尺寸。
在一些技术方案中，可选地，第二温度阈值为750℃至950℃。
在该技术方案中，通过将烧结时的温度控制在750℃至950℃，一方面，可以避免温度过高，有利于控制能耗；另一方面，可以避免温度过低，从而确保烧结后制备出中间材料，以供后续步骤使用。由于熔盐溶剂含有锂元素，在后续步骤中进行烧结时，熔点可以更低（最低可以是750℃），有助于在制备过程中实现节能。
在一些技术方案中，可选地，第二时间阈值为4h至20h。
在该技术方案中，通过将烧结过程中的保温时间控制在4h至20h，一方面，可以避免保温时长过短，确保充分烧结后制备出中间材料；另一方面，可以避免烧结的保温时间过长，以提高整体制备效率。
在一些技术方案中，可选地，将混合物料以第二温度阈值进行烧结，并保温第二时间阈值，得到中间材料，具体为：将混合物料装入陶瓷罐中进行密封，将装有混合物料的陶瓷罐放入马弗炉中以第二温度阈值进行烧结，并保温第二时间阈值，得到中间材料。
在该技术方案中，通过将混合物料装入陶瓷罐中进行密封，确保烧结的过程中混合物料不与外界空气发生化学反应，以排除无关因素。另外，通过将装有混合物料的陶瓷罐放入马弗炉中进行烧结，确保烧结过程的充分性，以制备出中间材料，供后续步骤使用。
在一些技术方案中，可选地，陶瓷罐的材质为氧化铝。
在该技术方案中，通过将陶瓷罐的材质设置为氧化铝，从而陶瓷罐能够装入的混合物料进行密封，确保烧结的过程中混合物料不与外界空气发生化学反应，以排除无关因素。
在一些技术方案中，可选地，陶瓷罐的材质为氧化锆。
在该技术方案中，通过将陶瓷罐的材质设置为氧化锆，从而陶瓷罐能够装入的混合物料进行密封，确保烧结的过程中混合物料不与外界空气发生化学反应，以排除无关因素。
在一些技术方案中，可选地，将中间材料倒入水中，经过处理工艺后得到电解质材料，具体为：将中间材料倒入水中，经过离心、过滤以及烘干后得到电解质材料。
在该技术方案中，离心的目的在于将不同的悬浮颗粒进行有效分离。进一步的，过滤的目的在于，一方面，去除杂质，确保所制备的电解质材料的纯净性；另一方面，筛选粒径，确保得到微纳米YSZ粉体，优化电解质材料的成型尺寸，满足微纳米尺寸以及均一化的要求。进一步地，烘干的目的在于去除水分子，以排除无关因素。
本发明第二方面提供了一种固体氧化物燃料电池的电解质材料，通过上述任一技术方案中的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法制作而成。
根据本发明的固体氧化物燃料电池的电解质材料的技术方案，固体氧化物燃料电池的电解质材料通过上述任一技术方案中的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法制作而成。通过本发明的制备方法所制备的电解质材料成型尺寸较为统一，满足微纳米尺寸以及均一化的要求。
本发明的技术方案的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1示出了根据本发明的第一个实施例的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法的流程图；
图2示出了根据本发明的第二个实施例的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法的流程图；
图3示出了根据本发明的第三个实施例的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法的流程图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的实施例的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明的实施例进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本发明的实施例还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。
下面参照图1至图3描述根据本发明一些实施例提供的固体氧化物燃料电池的电解质材料及其制备方法。
固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）属于第三代燃料电池，是一种能够在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效转化为电能的全固态化学发电装置。
在根据本发明的第一个实施例中，如图1所示，固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法的步骤包括：
S102，制备具有锂元素的熔盐溶剂。熔盐是盐类熔化后形成的熔融体，例如碱金属、碱土金属的卤化物、硝酸盐、硫酸盐的熔融体。可选地，熔岩溶剂由金属卤化物组成，且金属卤化物包括卤化锂，从而熔岩溶剂具有锂元素。在含有卤素的二元化合物中，卤素（卤族元素，包括氟元素、氯元素、溴元素、碘元素）呈负价的化合物称为卤化物。按照组成卤化物元素的属性分为金属卤化物和非金属卤化物。碱金属的卤化物和碱土金属的卤化物多数为离子型，特点为熔点和沸点高，易溶于水。可选地，本步骤中的金属卤化物为离子型碱金属卤化物，后续步骤中将中间材料倒入水中可去除熔盐溶剂。可选地，在熔盐溶剂中，卤化锂与其它金属的卤化物按照一定物质的量的比例组成熔盐溶剂。本发明限定的技术方案中，采用熔盐法合成电解质材料。熔盐溶剂包括卤化锂，在后续步骤合成电解质材料的过程中，以锂元素的卤化物为形核质点，整体形貌是碗型的，有利于在烧结过程中形核。此外，由于熔盐溶剂含有锂元素，在后续步骤中进行烧结时，熔点可以更低（最低可以是750℃），有助于在制备过程中实现节能。
S104，制备由硝酸锆Zr(NO3)4以及氧化钇Y2O3组成的粉体试剂。可选地，将硝酸锆与氧化钇按照原子比为100：4的比例进行混合，得到粉体试剂。添加硝酸锆的主要目的在于提供锆元素，并且硝酸锆在后续步骤中可以分解为氧化锆；添加氧化钇的主要目的在于为反应物提供钇元素。
S106，将粉体试剂与熔盐溶剂进行混料，得到混合物料。可选地，将粉体试剂与熔盐溶剂通过混料机进行混料，得到混合物料。可选地，在混料过程中环境温度为90℃至120℃；在混料过程中混料机的转速为100r/min至200r/min；混料时长为2h至10h。可选地，当环境温度为120℃时，在机械能和热能的作用下，硝酸锆能够分解为氧化锆，并且在混料过程中由于球磨存在，会产生物质物理尺寸的变小。在混料过程中，各组分之间趋于均匀化，且能够实现颗粒的细化，更加微观；在混料过程中，还会发生化学反应，例如分解反应（硝酸锆分解为氧化锆）。
S108，将混合物料进行烧结，得到中间材料。烧结是把粉状物料转变为致密体的工艺过程。粉体经过成型后，通过烧结得到的致密体是一种多晶材料。烧结过程直接影响显微结构中的晶粒尺寸、气孔尺寸及晶界形状和分布，进而影响材料的性能。可选地，将混合物料装入陶瓷罐中进行密封，将装有混合物料的陶瓷罐放入马弗炉中进行烧结。马弗炉即箱式炉。可选地，在烧结过程中，环境温度为750℃至950℃，并且保温时间为4h至20h。
S110，将中间材料倒入水中，经过处理工艺后得到电解质材料。可选地，将中间材料倒入清水中，通过离心、过滤以及烘干等一系列处理工艺得到微纳米YSZ粉体。此处的微纳米YSZ粉体即为电解质材料。本步骤中将中间材料倒入清水中的目的为去除熔盐溶剂。
通过以上表格可以看出，本发明的制备方法（固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法）相较于固相烧结法而言，优化了电解质材料的成型尺寸，可以满足微纳米尺寸以及均一化的要求。
本发明限定的技术方案中，采用熔盐法合成电解质材料，第一方面，制备方法简单；第二方面，优化了电解质材料的成型尺寸，可以满足微纳米尺寸以及均一化的要求。熔盐溶剂包括卤化锂，在合成电解质材料的过程中，以锂元素的卤化物为形核质点，整体形貌是碗型的，有利于在烧结过程中形核。此外，由于熔盐溶剂含有锂元素，进行烧结时，熔点可以更低，有助于在制备过程中实现节能。
通过本发明的制备方法制备出的电解质材料在结构和形貌上具有特定的优势，即通过熔盐法制备得到的YSZ粉体相对于通过传统的烧结法制备得到的YSZ粉体而言，具有特定的优势。通过熔盐法制备得到的YSZ粉体与乙醇溶剂匹配性高，适合用于等离子喷涂工艺中使用的悬浮浆料。此外，通过熔盐法制备得到的YSZ粉体形成的混悬液，能够保持持久（可达8个小时左右）的悬浮特性。
在根据本发明的第二个实施例中，如图2所示，固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法的步骤包括：
S202，制备由金属卤化物组成的熔盐溶剂，金属卤化物包括卤化锂。熔岩溶剂由金属卤化物组成，且金属卤化物包括卤化锂，从而熔岩溶剂具有锂元素。在含有卤素的二元化合物中，卤素（卤族元素，包括氟元素、氯元素、溴元素和碘元素）呈负价的化合物称为卤化物。按照组成卤化物元素的属性分为金属卤化物和非金属卤化物。碱金属的卤化物和碱土金属的卤化物多数为离子型，特点为熔点和沸点高，易溶于水。可选地，本步骤中的金属卤化物为离子型碱金属卤化物，后续步骤中将中间材料倒入水中可去除熔盐溶剂。可选地，在熔盐溶剂中，卤化锂与其它金属的卤化物按照一定物质的量的比例进行组合。本发明限定的技术方案中，采用熔盐法合成电解质材料。熔盐溶剂包括卤化锂，在后续步骤合成电解质材料的过程中，以锂元素的卤化物为形核质点，整体形貌是碗型的，有利于在烧结过程中形核。此外，由于熔盐溶剂含有锂元素，在后续步骤中进行烧结时，熔点可以更低（最低可以是750℃），有助于在制备过程中实现节能。
S204，将硝酸锆与氧化钇按照原子比为100：4的比例进行混合，得到粉体试剂。通过控制硝酸锆与氧化钇的混合比例，确定预制粉体成型后分子式的原子比，以制备出YSZ粉体。添加硝酸锆的主要目的在于提供锆元素，并且硝酸锆在后续步骤中可以分解为氧化锆；添加氧化钇的主要目的在于为反应物提供钇元素。
S206，将粉体试剂与熔盐溶剂通过混料机进行混料，得到混合物料。通过混料机对粉体试剂与熔盐溶剂进行充分混合。此外，通过控制混料时的温度、转速以及时间，确保粉体试剂与熔盐溶剂可以在适宜条件下进行充分混合。可选地，在混料过程中环境温度为90℃至120℃；在混料过程中混料机的转速为100r/min至200r/min；混料时长为2h至10h。可选地，当环境温度为120℃时，在机械能和热能的作用下，硝酸锆能够分解为氧化锆，并且在混料过程中由于球磨存在，会产生物质物理尺寸的变小。在混料过程中，各组分之间趋于均匀化，且能够实现颗粒的细化，更加微观；在混料过程中，还会发生化学反应，例如分解反应（硝酸锆分解为氧化锆）。
S208，将混合物料以第二温度阈值进行烧结，并保温第二时间阈值，得到中间材料。烧结是把粉状物料转变为致密体的工艺过程。粉体经过成型后，通过烧结得到的致密体是一种多晶材料。烧结过程直接影响显微结构中的晶粒尺寸、气孔尺寸及晶界形状和分布，进而影响材料的性能。可选地，将混合物料装入陶瓷罐中进行密封，将装有混合物料的陶瓷罐放入马弗炉中进行烧结。马弗炉即箱式炉。可选地，在烧结过程中，环境温度为750℃至950℃，并且保温时间为4h至20h。通过在烧结的过程中控制温度以及保温时间，确保制备出中间材料，以供后续步骤使用。精确控制烧结时的温度以及保温时间还可以在一定程度上优化电解质材料的成型尺寸。
S210，将中间材料倒入水中，经过处理工艺后得到电解质材料。可选地，将中间材料倒入清水中，通过离心、过滤以及烘干等一系列处理工艺得到微纳米YSZ粉体。此处的微纳米YSZ粉体即为电解质材料。本步骤中将中间材料倒入清水中的目的为去除熔盐溶剂。
在另一个实施例中，金属卤化物还包括卤化钠。卤化钠作为主要熔盐溶剂，使硝酸锆以及氧化钇在液相环境下进行反应并生成所需产物（中间材料）。卤化钠作为溶剂的其中之一，可以起到分散化合物的作用。后续步骤中将中间材料倒入水中可去除多余的熔盐溶剂，以得到纯净的反应产物。可选地，卤化钠为氯化钠。
进一步地，金属卤化物还包括卤化钾。卤化钾作为主要熔盐溶剂，使硝酸锆以及氧化钇在液相环境下进行反应并生成所需产物（中间材料）。后续步骤中将中间材料倒入水中可去除多余的熔盐溶剂，以得到纯净的反应产物。可选地，卤化钾为氯化钾。
进一步地，卤化钠的物质的量、卤化钾的物质的量以及卤化锂的物质的量之间的比例关系为（1~3）：（1~4）：（1~5）。
进一步地，卤化锂的物质的量为熔盐溶剂的物质的量的八分之一至七分之五。通过控制卤化锂在熔盐溶剂中物质的量的占比，一方面，可以确保熔盐溶剂中包含足够多的卤化锂（足够多的锂元素）；另一方面，可以避免卤化锂的物质的量过多，有利于控制成本。可选地，卤化锂为氯化锂。熔盐溶剂包括氯化锂，在合成电解质材料的过程中，以氯化锂为形核质点，整体形貌是碗型的，有利于在烧结过程中形核。此外，由于熔盐溶剂含有锂元素，进行烧结时，熔点可以更低，有助于在制备过程中实现节能。
进一步地，卤化钠的物质的量为熔盐溶剂的物质的量的十分之一至五分之三。通过控制卤化钠在熔盐溶剂中物质的量的占比，一方面，可以确保熔盐溶剂中包含足够多的卤化钠；另一方面，可以避免卤化钠的物质的量过多，有利于控制成本。
进一步地，卤化钾的物质的量为熔盐溶剂的物质的量的九分之一至三分之二。通过控制卤化钾在熔盐溶剂中物质的量的占比，一方面，可以确保熔盐溶剂中包含足够多的卤化钾；另一方面，可以避免卤化钾的物质的量过多，有利于控制成本。
在另一个实施例中，卤化锂为氯化锂。熔盐溶剂包括氯化锂，在合成电解质材料的过程中，以氯化锂为形核质点，整体形貌是碗型的，有利于在烧结过程中形核。
在另一个实施例中，卤化钠为氯化钠。氯化钠作为主要熔盐溶剂，可以起到分散化合物的作用，使硝酸锆以及氧化钇在液相环境下进行反应并生成所需产物（中间材料）。
在另一个实施例中，卤化钾为氯化钾。氯化钾作为主要熔盐溶剂，使硝酸锆以及氧化钇在液相环境下进行反应并生成所需产物（中间材料）。后续步骤中将中间材料倒入水中可去除多余的熔盐溶剂，以得到纯净的反应产物。
在另一个实施例中，处理工艺包括离心。
在另一个实施例中，处理工艺包括过滤。将中间材料倒入水中，经过过滤等一系列处理工艺后得到电解质材料。过滤的目的在于，一方面，去除杂质，确保所制备的电解质材料的纯净性；另一方面，筛选粒径，确保得到微纳米YSZ粉体，优化电解质材料的成型尺寸，满足微纳米尺寸以及均一化的要求。
在另一个实施例中，处理工艺包括烘干。将中间材料倒入水中，经过烘干等一系列处理工艺后得到电解质材料。烘干的目的在于去除水分子，以排除无关因素。
在另一个实施例中，第二温度阈值为750℃至950℃。通过将烧结时的温度控制在750℃至950℃，一方面，可以避免温度过高，有利于控制能耗；另一方面，可以避免温度过低，从而确保烧结后制备出中间材料，以供后续步骤使用。由于熔盐溶剂含有锂元素，在后续步骤中进行烧结时，熔点可以更低（最低可以是750℃），有助于在制备过程中实现节能。
在另一个实施例中，第二时间阈值为4h至20h。通过将烧结过程中的保温时间控制在4h至20h，一方面，可以避免保温时长过短，确保充分烧结后制备出中间材料；另一方面，可以避免烧结的保温时间过长，以提高整体制备效率。
在根据本发明的第三个实施例中，如图3所示，固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法的步骤包括：
S302，制备由金属卤化物组成的熔盐溶剂，金属卤化物包括卤化锂。熔岩溶剂由金属卤化物组成，且金属卤化物包括卤化锂，从而熔岩溶剂具有锂元素。在含有卤素的二元化合物中，卤素（卤族元素，包括氟元素、氯元素、溴元素和碘元素）呈负价的化合物称为卤化物。按照组成卤化物元素的属性分为金属卤化物和非金属卤化物。碱金属的卤化物和碱土金属的卤化物多数为离子型，特点为熔点和沸点高，易溶于水。可选地，本步骤中的金属卤化物为离子型碱金属卤化物，后续步骤中将中间材料倒入水中可去除熔盐溶剂。可选地，在熔盐溶剂中，卤化锂与其它金属的卤化物按照一定物质的量的比例进行组合。本发明限定的技术方案中，采用熔盐法合成电解质材料。熔盐溶剂包括卤化锂，在后续步骤合成电解质材料的过程中，以锂元素的卤化物为形核质点，整体形貌是碗型的，有利于在烧结过程中形核。此外，由于熔盐溶剂含有锂元素，在后续步骤中进行烧结时，熔点可以更低（最低可以是750℃），有助于在制备过程中实现节能。
S304，将硝酸锆与氧化钇按照原子比为100：4的比例进行混合，得到粉体试剂。通过控制硝酸锆与氧化钇的混合比例，确定预制粉体成型后分子式的原子比，以制备出YSZ粉体。添加硝酸锆的主要目的在于提供锆元素，并且硝酸锆在后续步骤中可以分解为氧化锆；添加氧化钇的主要目的在于为反应物提供钇元素。
S306，将粉体试剂与熔盐溶剂通过混料机在第一温度阈值下以第一转速阈值运转第一时间阈值进行混料，得到混合物料。通过混料机对粉体试剂与熔盐溶剂进行充分混合。此外，通过控制混料时的温度、转速以及时间，确保粉体试剂与熔盐溶剂可以在适宜条件下进行充分混合。可选地，在混料过程中环境温度为90℃至120℃；在混料过程中混料机的转速为100r/min至200r/min；混料时长为2h至10h。可选地，当环境温度为120℃时，在机械能和热能的作用下，硝酸锆能够分解为氧化锆，并且在混料过程中由于球磨存在，会产生物质物理尺寸的变小。在混料过程中，各组分之间趋于均匀化，且能够实现颗粒的细化，更加微观；在混料过程中，还会发生化学反应，例如分解反应（硝酸锆分解为氧化锆）。
S308，将混合物料装入陶瓷罐中进行密封，将装有混合物料的陶瓷罐放入马弗炉中以第二温度阈值进行烧结，并保温第二时间阈值，得到中间材料。烧结是把粉状物料转变为致密体的工艺过程。粉体经过成型后，通过烧结得到的致密体是一种多晶材料。烧结过程直接影响显微结构中的晶粒尺寸、气孔尺寸及晶界形状和分布，进而影响材料的性能。可选地，在烧结过程中，环境温度为750℃至950℃，并且保温时间为4h至20h。通过在烧结的过程中控制温度以及保温时间，确保制备出中间材料，以供后续步骤使用。精确控制烧结时的温度以及保温时间还可以在一定程度上优化电解质材料的成型尺寸。通过将混合物料装入陶瓷罐中进行密封，确保烧结的过程中混合物料不与外界空气发生化学反应，以排除无关因素。另外，通过将装有混合物料的陶瓷罐放入马弗炉中进行烧结，确保烧结过程的充分性，以制备出中间材料，供后续步骤使用。
S310，将中间材料倒入水中，经过离心、过滤以及烘干后得到电解质材料。可选地，将中间材料倒入清水中，通过离心、过滤以及烘干等一系列处理工艺得到微纳米YSZ粉体。此处的微纳米YSZ粉体即为电解质材料。本步骤中将中间材料倒入清水中的目的为去除熔盐溶剂。离心的目的在于将不同的悬浮颗粒进行有效分离。进一步的，过滤的目的在于，一方面，去除杂质，确保所制备的电解质材料的纯净性；另一方面，筛选粒径，确保得到微纳米YSZ粉体，优化电解质材料的成型尺寸，满足微纳米尺寸以及均一化的要求。进一步地，烘干的目的在于去除水分子，以排除无关因素。
在另一个实施例中，第一温度阈值为90℃至120℃。通过将混料时的环境温度控制在90℃至120℃，一方面，环境温度不会过低，确保粉体试剂与熔盐溶剂可以在适宜条件下进行充分混合；另一方面，环境温度不会过高，有利于控制能耗。
在另一个实施例中，第一转速阈值为100r/min至200r/min。通过将混料机的转速控制在100r/min至200r/min，一方面，可以避免混料机的转速过快，有利于控制能耗；另一方面，可以避免混料机的转速过慢，从而确保粉体试剂与熔盐溶剂可以在混料机的辅助下进行充分混合。
在另一个实施例中，第一时间阈值为2h至10h。通过将混料时长控制在2h至10h，一方面，可以避免混料时长过短，从而确保粉体试剂与熔盐溶剂可以在混料机的辅助下进行充分混合；另一方面，可以避免混料时长过长，以提高整体制备效率。
在另一个实施例中，陶瓷罐的材质为氧化铝。通过将陶瓷罐的材质设置为氧化铝，从而陶瓷罐能够装入的混合物料进行密封，确保烧结的过程中混合物料不与外界空气发生化学反应，以排除无关因素。
在另一个实施例中，陶瓷罐的材质为氧化锆。通过将陶瓷罐的材质设置为氧化锆，从而陶瓷罐能够装入的混合物料进行密封，确保烧结的过程中混合物料不与外界空气发生化学反应，以排除无关因素。
在根据本发明的一个实施例中，固体氧化物燃料电池的电解质材料通过上述任一实施例中的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法制作而成。通过本发明的制备方法所制备的电解质材料成型尺寸较为统一，满足微纳米尺寸以及均一化的要求。
根据本发明的固体氧化物燃料电池的电解质材料及其制备方法的实施例，采用熔盐法合成电解质材料，第一方面，制备方法简单；第二方面，优化了电解质材料的成型尺寸，可以满足微纳米尺寸以及均一化的要求。熔盐溶剂包括卤化锂，在合成电解质材料的过程中，以锂元素的卤化物为形核质点，整体形貌是碗型的，有利于在烧结过程中形核。此外，由于熔盐溶剂含有锂元素，进行烧结时，熔点可以更低，有助于在制备过程中实现节能。
实施例1
固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法的步骤包括：
S402，制备具有锂元素的熔盐溶剂。熔盐溶剂包括1 mol卤化钠、1mol卤化钾以及1mol卤化锂。熔盐溶剂包括卤化锂，在后续步骤合成电解质材料的过程中，以锂元素的卤化物为形核质点，整体形貌是碗型的，有利于在烧结过程中形核。此外，由于熔盐溶剂含有锂元素，在后续步骤中进行烧结时，熔点可以更低（最低可以是750℃），有助于在制备过程中实现节能。另外，通过控制卤化钠、卤化钾以及卤化锂的物质的量的比例，有利于熔盐溶剂熔化温度调控，以及促进电解质材料分散。
S404，制备由硝酸锆Zr(NO3)4以及氧化钇Y2O3组成的粉体试剂。硝酸锆与氧化钇的物质的量的比例为100：8。添加硝酸锆的主要目的在于提供锆元素，并且硝酸锆在后续步骤中可以分解为氧化锆；添加氧化钇的主要目的在于为反应物提供钇元素。通过控制硝酸锆与氧化钇的物质的量的比例，有利于氧化钇稳定氧化锆电解质结晶颗粒尺寸调控。
S406，将粉体试剂与熔盐溶剂进行混料，得到混合物料。可选地，将粉体试剂与熔盐溶剂通过混料机进行混料，得到混合物料。可选地，在混料过程中环境温度为120℃；在混料过程中混料机的转速为105r/min；混料时长为3h。可选地，当环境温度为120℃时，在机械能和热能的作用下，硝酸锆能够分解为氧化锆，并且在混料过程中由于球磨存在，会产生物质物理尺寸的变小。在混料过程中，各组分之间趋于均匀化，且能够实现颗粒的细化，更加微观；在混料过程中，还会发生化学反应，例如分解反应（硝酸锆分解为氧化锆）。
S408，将混合物料进行烧结，得到中间材料。烧结是把粉状物料转变为致密体的工艺过程。粉体经过成型后，通过烧结得到的致密体是一种多晶材料。烧结过程直接影响显微结构中的晶粒尺寸、气孔尺寸及晶界形状和分布，进而影响材料的性能。可选地，将混合物料装入陶瓷罐中进行密封，将装有混合物料的陶瓷罐放入马弗炉中进行烧结。马弗炉即箱式炉。可选地，在烧结过程中，环境温度为870℃，并且保温时间为5h。
S410，将中间材料倒入水中，经过处理工艺后得到电解质材料。可选地，将中间材料倒入清水中，通过离心、过滤以及烘干等一系列处理工艺得到微纳米YSZ粉体。此处的微纳米YSZ粉体即为电解质材料。YSZ表示一类掺杂稀土元素钇的氧化锆，也表示为钇稳定氧化锆。本步骤中将中间材料倒入清水中的目的为去除熔盐溶剂。
实施例2
固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法的步骤包括：
S502，制备具有锂元素的熔盐溶剂。熔盐溶剂包括2mol卤化钠、2mol卤化钾以及3mol卤化锂。熔盐溶剂包括卤化锂，在后续步骤合成电解质材料的过程中，以锂元素的卤化物为形核质点，整体形貌是碗型的，有利于在烧结过程中形核。此外，由于熔盐溶剂含有锂元素，在后续步骤中进行烧结时，熔点可以更低（最低可以是750℃），有助于在制备过程中实现节能。另外，通过控制卤化钠、卤化钾以及卤化锂的物质的量的比例，有利于熔盐溶剂熔化温度调控，以及促进电解质材料分散。
S504，制备由硝酸锆Zr(NO3)4以及氧化钇Y2O3组成的粉体试剂。硝酸锆与氧化钇的物质的量的比例为100：8.5。添加硝酸锆的主要目的在于提供锆元素，并且硝酸锆在后续步骤中可以分解为氧化锆；添加氧化钇的主要目的在于为反应物提供钇元素。通过控制硝酸锆与氧化钇的物质的量的比例，有利于氧化钇稳定氧化锆电解质结晶颗粒尺寸调控。
S506，将粉体试剂与熔盐溶剂进行混料，得到混合物料。可选地，将粉体试剂与熔盐溶剂通过混料机进行混料，得到混合物料。可选地，在混料过程中环境温度为105℃；在混料过程中混料机的转速为150r/min；混料时长为8h。可选地，当环境温度为105℃时，在机械能和热能的作用下，硝酸锆能够分解为氧化锆，并且在混料过程中由于球磨存在，会产生物质物理尺寸的变小。在混料过程中，各组分之间趋于均匀化，且能够实现颗粒的细化，更加微观；在混料过程中，还会发生化学反应，例如分解反应（硝酸锆分解为氧化锆）。
S508，将混合物料进行烧结，得到中间材料。烧结是把粉状物料转变为致密体的工艺过程。粉体经过成型后，通过烧结得到的致密体是一种多晶材料。烧结过程直接影响显微结构中的晶粒尺寸、气孔尺寸及晶界形状和分布，进而影响材料的性能。可选地，将混合物料装入陶瓷罐中进行密封，将装有混合物料的陶瓷罐放入马弗炉中进行烧结。马弗炉即箱式炉。可选地，在烧结过程中，环境温度为800℃），并且保温时间为8h。
S510，将中间材料倒入水中，经过处理工艺后得到电解质材料。可选地，将中间材料倒入清水中，通过离心、过滤以及烘干等一系列处理工艺得到微纳米YSZ粉体。此处的微纳米YSZ粉体即为电解质材料。YSZ表示一类掺杂稀土元素钇的氧化锆，也表示为钇稳定氧化锆。本步骤中将中间材料倒入清水中的目的为去除熔盐溶剂。
在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (18)
1.一种固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，包括：
制备具有锂元素的熔盐溶剂；
制备由硝酸锆以及氧化钇组成的粉体试剂；
将所述粉体试剂与所述熔盐溶剂进行混料，得到混合物料；
将所述混合物料进行烧结，得到中间材料；
将所述中间材料倒入水中，经过处理工艺后得到电解质材料。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述制备具有锂元素的熔盐溶剂，具体为：
制备由金属卤化物组成的所述熔盐溶剂，所述金属卤化物包括卤化锂、卤化钠和卤化钾。
3.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述卤化钠的物质的量、所述卤化钾的物质的量以及所述卤化锂的物质的量之间的比例关系为（1~3）：（1~4）：（1~5）。
4.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述卤化锂为氯化锂；或所述卤化钠为氯化钠；或所述卤化钾为氯化钾。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述制备由硝酸锆以及氧化钇组成的粉体试剂，具体为：
将所述硝酸锆与所述氧化钇按照原子比为100：4的比例进行混合，得到所述粉体试剂。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述将所述粉体试剂与所述熔盐溶剂进行混料，得到混合物料，具体为：
将所述粉体试剂与所述熔盐溶剂通过混料机进行混料，得到所述混合物料。
7.根据权利要求6所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述将所述粉体试剂与所述熔盐溶剂通过混料机进行混料，得到所述混合物料，具体为：
将所述粉体试剂与所述熔盐溶剂通过所述混料机在第一温度阈值下以第一转速阈值运转第一时间阈值进行混料，得到所述混合物料。
8.根据权利要求7所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述第一温度阈值为90℃至120℃。
9.根据权利要求7所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述第一转速阈值为100r/min至200r/min。
10.根据权利要求7所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述第一时间阈值为2h至10h。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述将所述混合物料进行烧结，得到中间材料，具体为：
将所述混合物料以第二温度阈值进行烧结，并保温第二时间阈值，得到所述中间材料。
12.根据权利要求11所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述第二温度阈值为750℃至950℃。
13.根据权利要求11所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述第二时间阈值为4h至20h。
14.根据权利要求11所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述将所述混合物料以第二温度阈值进行烧结，并保温第二时间阈值，得到所述中间材料，具体为：
将所述混合物料装入陶瓷罐中进行密封，将装有所述混合物料的所述陶瓷罐放入马弗炉中以所述第二温度阈值进行烧结，并保温所述第二时间阈值，得到所述中间材料。
15.根据权利要求14所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述陶瓷罐的材质为氧化铝。
16.根据权利要求14所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述陶瓷罐的材质为氧化锆。
17.根据权利要求1至4中任一项所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述将所述中间材料倒入水中，经过处理工艺后得到电解质材料，具体为：
将所述中间材料倒入水中，经过离心、过滤以及烘干后得到所述电解质材料。
18.一种固体氧化物燃料电池的电解质材料，其特征在于，通过如权利要求1至17中任一项所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法制作而成。
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