低温烧结8YSZ电解质的方法

907 编辑：管理员来源：福州大学

2024-03-12 16:36:34

权利要求书： 1.一种低温烧结8YSZ电解质的方法，其特征在于：利用金属氧化物作为烧结助剂，同时在烧结过程中引入硝酸钇溶液进行冷烧辅助烧结，使8YSZ保持稳定立方相，避免单斜相的产生，从而在低的烧结温度下得到稳定性好、致密的8YSZ电解质；

所述制备方法包括以下步骤：

（1）将8YSZ粉体与Fe2O3粉体加入到的球磨罐中，在混合料中加入球磨介质进行快速球磨2h，然后将其烘干，再放入研钵内进行研磨和过筛；

（2）往步骤(1)得到的Fe2O3掺杂的8YSZ纳米粉体加入硝酸钇溶液，并置于研钵中充分研磨均匀制得电解质原料，将原料粉放入模具中压平。

（3）对步骤（2）的原料粉压制成型，并保压20 40min，得到电解质生坯；

~

（4）对步骤（3）的电解质生坯进行烧结得到致密的8YSZ电解质；

步骤（3）压制成型的压力为200 400MPa，压制温度为100 150℃；步骤（4）中烧结温度为~ ~

1000~1100℃，时间为1~4h；步骤（1）中Fe2O3粉体的质量为8YSZ粉体和Fe2O3粉体总质量的2

8%；步骤（1）中8YSZ粉体粒径为20 100nm；步骤（2）中，硝酸钇溶液的浓度为1 3mol/L；

~ ~ ~

步骤（2）加入硝酸钇溶液的质量为Fe2O3掺杂的8YSZ纳米粉体质量的10~30%。

说明书：一种低温烧结8YSZ电解质的方法技术领域[0001] 本发明属于固体氧化物燃料电池领域，具体涉及一种低温烧结8YSZ电解质的方法。

背景技术[0002] 8YSZ是目前用于SOFC的最成功的电解质材料。8YSZ在较宽的氧分压范围内有较高的离子电导率，化学稳定性好，机械强度高，是SOFC中普遍采用的电解质材料。除此之外，

ZrO2固体电解质陶瓷具有良好的机械性能，优秀的耐氧化性和耐腐蚀性以及不与电极材料

反应等优点，使其成为制作氧传感器、固体氧化物燃料电池等的首选材料。通常8YSZ电解质

的烧结温度要高于1400℃，烧结后晶粒尺寸较大，不利于其热稳定性。因此在较低的烧结

温度下得到致密的8YSZ电解质成为研究热点。

[0003] 冷烧是一种在极低的温度下获得致密陶瓷的新型烧结工艺，冷烧50 500MPa的外~

部压力的帮助下需要临时的液体环境，合适的液体介质可润湿颗粒界面以溶解颗粒边缘，

同时促进颗粒重排，从而提高陶瓷块密度。因此通过冷烧技术有望大大降低陶瓷的烧结温

度。Guo等人采用以水为介质的冷烧工艺，使得8YSZ的烧结温度降低至1200℃，但会产生少

量单斜相。另外，添加烧结助剂也是一种有效的降低烧结温度的方法。通过添加Fe2O3等添加

剂也能使烧结温度降低至1200 1300℃。本发明通过采用硝酸钇溶液作为冷烧介质，并通

~

过掺杂Fe2O3，实现8YSZ电解质在1100℃以下的致密烧结。

发明内容[0004] 为了降低8YSZ电解质的烧结温度，提高电解质的稳定性，本发明提供一种低温烧结8YSZ电解质的方法，利用金属氧化物作为烧结助剂，同时在烧结过程中引入硝酸钇溶液

进行冷烧辅助烧结，使8YSZ保持稳定立方相，避免单斜相的产生，从而在较低的烧结温度下

得到稳定性较好，较致密的8YSZ电解质。

[0005] 为了实现上述的技术目的，本发明的技术方案为：[0006] 一种低温烧结8YSZ电解质的方法，包括以下步骤：[0007] （1）将粒径为20?100nm的8YSZ粉体与Fe2O3粉体加入到的球磨罐中，在混合料中加入球磨介质进行快速球磨2h，球磨结束后，将混合料烘干，然后再将混合料放入研钵内进

行研磨和过筛。

[0008] （2）往Fe2O3掺杂的8YSZ纳米粉体加入硝酸钇溶液（浓度为1~3mol/L），于研钵中充分研磨均匀制得电解质原料，将原料粉放入磨具中压平。

[0009] （3）在100 150℃温度下施加200 400MPa压力压制成型，保压20 40分钟，得到电~ ~ ~

解质生坯。

[0010] （4）将上述电解质生坯置于马弗炉中于1000 1100℃烧结1 4h得到致密的8YSZ~ ~

电解质。

[0011] 上述步骤（1）中，Fe2O3粉体的质量分数为2~8%。[0012] 上述步骤（2）中，加入硝酸钇溶液的重量为Fe2O3掺杂的8YSZ纳米粉体重量的10~30%。

[0013] 有益效果：本发明采用上述技术方案，通过Fe2O3掺杂8YSZ，并在烧结过程中引入Y3+

，可以得到致密度高的8YSZ电解质，所制备的电解质具有稳定的立方相和较高的电导率；

通过这种方法制备的8YSZ电解质，不仅有效的大幅度降低了烧结温度，解决了烧结温度高

带来的晶粒尺寸大的问题，同时还能提高8YSZ的稳定性，拓宽了8YSZ的烧结温度范围，提高

了生产工艺的灵活度，为固体氧化物燃料电池的工业化生产奠定了理论和实践基础。

附图说明[0014] 图1是实施例3得到的8YSZ电解质样品的XRD图；[0015] 图2是实施例3得到的8YSZ电解质样品的SEM图；[0016] 图3是实施例3得到的8YSZ电解质样品的电导率曲线。具体实施方式[0017] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的阐述：[0018] 实施例1[0019] 一种低温烧结8YSZ电解质的方法，包括以下步骤：[0020] （1）将粒径为20nm的8YSZ粉体和Fe2O3粉体加入到的球磨罐中，在混合料中加入球磨介质进行快速球磨2h，球磨结束后，将混合料烘干，然后再将混合料放入研钵内进行研

磨和过筛；上述Fe2O3粉体的质量分数为4%。

[0021] （2）往步骤（1）的Fe2O3掺杂的8YSZ纳米粉体加入纳米粉体重量的10%的硝酸钇溶液（溶度为1mol/L），于研钵中充分研磨均匀制得电解质原料，将原料粉放入磨具中用50MPa

压平。

[0022] （3）在100℃温度下施加300MPa压力压制成型，保压20分钟，得到电解质生坯。[0023] （4）将上述电解质生坯置于马费炉中于1000℃烧结3h，得到致密度为91.2%的8YSZ电解质；

[0024] （5）将上述电解质的两面涂上银浆并且连上银线，用在一定温度下用电化学工作?1

站测试其电导率，在800℃下的电导率达到0.009S·cm 。

[0025] 实施例2[0026] 一种低温烧结8YSZ电解质的方法，包括以下步骤：[0027] （1）将粒径为50nm的8YSZ粉体和Fe2O3粉体加入到的球磨罐中，在混合料中加入球磨介质进行快速球磨2h，球磨结束后，将混合料烘干，然后再将混合料放入研钵内进行研

磨和过筛；上述Fe2O3粉体的质量分数为8%。

[0028] （2）往步骤（1）的Fe2O3掺杂的8YSZ纳米粉体加入纳米粉体重量的20%的硝酸钇溶液（溶度为2mol/L），于研钵中充分研磨均匀制得电解质原料，将原料粉放入磨具中用50

MPa压平。

[0029] （3）在120℃温度下施加200MPa压力压制成型，保压30分钟，得到电解质生坯。[0030] （4）将上述电解质生坯置于马费炉中于1050℃烧结1h，得到致密度为92.3%的8YSZ电解质。

[0031] （5）将上述电解质的两面涂上银浆并且连上银线，用在一定温度下用电化学工作?1

站测试其电导率，在800℃下的电导率达到0.012S·cm 。

[0032] 实施例3[0033] 一种低温烧结8YSZ电解质的方法，包括以下步骤：[0034] （1）将粒径为100nm的8YSZ粉体和Fe2O3粉体加入到的球磨罐中，在混合料中加入球磨介质进行快速球磨2h，球磨结束后，将混合料烘干，然后再将混合料放入研钵内进行

研磨和过筛；上述Fe2O3粉体的质量分数为2%。

[0035] （2）往步骤（1）的Fe2O3掺杂的8YSZ纳米粉体加入纳米粉体重量的30%的硝酸钇溶液（溶度为3mol/L），于研钵中充分研磨均匀制得电解质原料，将原料粉放入磨具中用50MPa

压平。

[0036] （3）在150℃温度下施加350MPa压力压制成型，保压40分钟，得到电解质生坯。[0037] （4）将上述电解质生坯置于马费炉中于1100℃烧结4h，得到致密度为95.5%的8YSZ电解质。

[0038] （5）将上述电解质的两面涂上银浆并且连上银线，用在一定温度下用电化学工作?1

站测试其电导率，在800℃下的电导率达到0.016S·cm 。

[0039] 实施例3得到的8YSZ样品的XRD图、SEM图、及电导率曲线如图1?3所示。图1显示，所得到8YSZ电解质为立方相结构，几乎没有杂相出现；图2显示烧结后得到的陶瓷片的表面

SEM，可以看出样品致密，晶粒尺寸细小(<300nm)且分布均匀，形状接近对称度较高的立

方型结构；图3显示，该样品有较好的导电性。

[0040] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。