Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

RU2739055C1 - Method of producing paste for thin-film solid electrolyte of electrochemical devices - Google Patents

Method of producing paste for thin-film solid electrolyte of electrochemical devices Download PDF

Info

Publication number
RU2739055C1
RU2739055C1 RU2020120783A RU2020120783A RU2739055C1 RU 2739055 C1 RU2739055 C1 RU 2739055C1 RU 2020120783 A RU2020120783 A RU 2020120783A RU 2020120783 A RU2020120783 A RU 2020120783A RU 2739055 C1 RU2739055 C1 RU 2739055C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
paste
electrolyte
viscosity
gas
thin
Prior art date
Application number
RU2020120783A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Даниэль Владимировмч Масленников
Михаил Петрович Попов
Александр Игоревич Титков
Александр Анатольевич Матвиенко
Александр Петрович Немудрый
Original Assignee
ФГБУН Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ФГБУН Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук filed Critical ФГБУН Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук
Priority to RU2020120783A priority Critical patent/RU2739055C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2739055C1 publication Critical patent/RU2739055C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H01M8/1246Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
    • H01M8/126Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides the electrolyte containing cerium oxide
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

FIELD: technological processes.
SUBSTANCE: invention relates to production of paste for production of gas-tight layers of solid electrolytic materials having high ionic conductivity in oxygen, for microtubular solid oxide fuel elements (MT SOFE) of anode-bearing structure. Method of producing the paste involves mixing in an ultrasonic bath and grinding with ceramic balls to viscosity of 0.2 Poise in a bead mill mode of mixing a powder of cerium oxide doped with gadolinium Ce0.9Gd0.1O1.95 (CGO), butylglycol, BYK-111 and polyvinyl butyral in ratio of 40/55/1/2 respectively. Method allows varying viscosity of paste depending on method of coating application and on required thickness of coating by changing ratio of solvent and solid phase of used oxide.
EFFECT: technical result is simpler technology and lower power consumption of making paste with possibility of controlling viscosity of end product.
5 cl, 4 dwg, 14 ex, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области производства пасты для получения газоплотных слоёв твёрдых электролитических материалов, обладающих высокой ионной проводимостью по кислороду. В первую очередь, такие пасты интересны для создания микротрубчатых твердооксидных топливных элементов (МТ ТОТЭ) анод-несущей конструкции. Даже для планарных ТОТЭ изготовление газоплотного слоя анионного проводника является сложной технической задачей. Процесс создания газоплотного электролитического слоя в МТ ТОТЭ ещё более усложняется, поскольку возникают трудности с компактированием частиц электролита. Соответственно, частицы, не имеющие плотного контакта между собой, плохо спекаются, не образуют при этом газоплотного слоя.The invention relates to the field of production of a paste for producing gas-tight layers of solid electrolytic materials with high ionic oxygen conductivity. First of all, such pastes are interesting for creating microtubular solid oxide fuel cells (MT SOFCs) for anode-supporting structure. Even for planar SOFCs, the manufacture of a gas-tight layer of an anionic conductor is a complex technical problem. The process of creating a gas-tight electrolytic layer in MT SOFCs becomes even more complicated, since difficulties arise with the compaction of electrolyte particles. Accordingly, particles that do not have close contact with each other are poorly sintered and do not form a gas-tight layer.

Известен способ получения стабилизированного водного золя нанокристаллического диоксида церия, допированного гадолинием, (1. Пат. РФ №2503620 опубл. 10.01.2014 г.) Такой золь может быть использован для получения тонких покрытий, плёнок, обладающих высокой ионной проводимостью. Однако нет возможности контролировать вязкость такого золя в широки пределах без его агломерирования, поэтому способы его нанесения и создания слоя требуемой толщины весьма ограничены. Кроме того, даже применяя очень мягкие режимы термообработки и сушки, такие покрытия претерпевают растрескивание.A known method of obtaining a stabilized aqueous sol of nanocrystalline cerium dioxide doped with gadolinium, (1. Patent RF No. 2503620 publ. 10.01.2014) Such a sol can be used to obtain thin coatings, films with high ionic conductivity. However, it is not possible to control the viscosity of such a sol over a wide range without agglomerating it; therefore, the methods for applying it and creating a layer of the required thickness are very limited. In addition, even with very mild heat treatment and drying conditions, such coatings undergo cracking.

Также известен способ получения твердого тонкопленочного электролита для электрохимических устройств методом ионно-плазменного напыления (2. Пат. РФ №1840832, опубл. 27.07.2012). Сущность данного способа заключается в том, что в плазменную струю при высоких температурах в атмосфере инертного газа подают распыляемый материал оксидов, который плавится, и в виде двух- или трехфазного потока осаждается на подложке в виде оксидной пленки, которая подвергается далее высокотемпературному обжигу. Основным недостатком данного метода является его сложность, поскольку он требует применения сложного оборудования, высоких температур и атмосферы инертного газа. Кроме того, данный метод является крайне энергозатратным и дорогостоящим.Also known is a method of obtaining a solid thin-film electrolyte for electrochemical devices by the method of ion-plasma spraying (2. Patent RF No. 1840832, publ. 27.07.2012). The essence of this method lies in the fact that a sprayed material of oxides is fed into the plasma jet at high temperatures in an inert gas atmosphere, which melts, and in the form of a two- or three-phase flow is deposited on a substrate in the form of an oxide film, which is further subjected to high-temperature firing. The main disadvantage of this method is its complexity, since it requires the use of complex equipment, high temperatures and an inert gas atmosphere. Moreover, this method is extremely energy consuming and expensive.

Наиболее близкими к заявляемому способу является известный способ получения твердого тонкопленочного электролита для электрохимических устройств (3. Пат. РФ №2570509, опубл. 10.12.2015 г.) В этом способе в качестве оксидообразующих солей используют легкоразлагающиеся при нагревании и растворимые в воде, в этиловом спирте или в водноспиртовых растворах оксидообразующие соли, например, нитраты редкоземельных и щелочных элементов, оксинитраты или оксихлориды циркония или гафния. В качестве органического пленкообразователя в смеси, содержащей водный раствор оксидообразующих солей, используют поливиниловый спирт, а в смеси, содержащей спиртовый раствор оксиобразующих солей, используют поливинилбутираль. Основным недостатком данного метода является сложность получения газоплотных покрытий. Чтобы получить покрытие электролита с нулевой газопроницаемостью, авторам приходилось повторять процедуру нанесения покрытия и термообработки 5 раз. При этом количество таких циклов может возрастать при переходе к другим электролитам.Closest to the claimed method is a known method of producing a solid thin-film electrolyte for electrochemical devices (3. RF Pat. No. 2570509, publ. 10.12.2015) In this method, as oxide-forming salts, readily decomposable upon heating and soluble in water, in ethyl alcohol or in aqueous alcohol solutions, oxide-forming salts, for example, nitrates of rare earth and alkaline elements, oxynitrates or oxychlorides of zirconium or hafnium. Polyvinyl alcohol is used as an organic film-former in a mixture containing an aqueous solution of oxide-forming salts, and polyvinyl butyral is used in a mixture containing an alcohol solution of oxy-forming salts. The main disadvantage of this method is the complexity of obtaining gas-tight coatings. To obtain an electrolyte coating with zero gas permeability, the authors had to repeat the coating and heat treatment procedure 5 times. In this case, the number of such cycles can increase with the transition to other electrolytes.

Задача, решаемая заявляемым техническим решением, заключается в разработке способа, позволяющего создать стабильную, легконаносимую пасту на основе оксида церия, допированного гадолинием, для создания равномерных, прочных, газоплотных покрытий твёрдых электролитов с высокой ионной проводимостью на любых поверхностях, в том числе и на трубках малого диаметра.The problem solved by the claimed technical solution is to develop a method that allows you to create a stable, easily applied paste based on cerium oxide, doped with gadolinium, to create uniform, durable, gas-tight coatings of solid electrolytes with high ionic conductivity on any surfaces, including tubes small diameter.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в заявляемом способе получения пасты для тонкопленочного твердого электролита для электрохимических устройств, включающем смешение оксидного порошка и органического растворителя, в качестве оксидного порошка используют порошкообразный оксид церия, допированный гадолинием Ce0,9Gd0,1O1,95 (CGO10), порошок диспергируют совместно с растворителем, с дисперсантом и пластификатором при соотношении компонентов (масс. д.): 40 / 55 / 1 / 2, соответственно, в ультразвуковой ванне, а затем подвергают размолу керамическими шарами в режиме бисерной мельницы, добавляя в ходе помола полимерное связующее до получения пасты с вязкостью 0,2 Пуаз.The problem is solved due to the fact that in the inventive method for producing a paste for a thin-film solid electrolyte for electrochemical devices, including mixing an oxide powder and an organic solvent, powdered cerium oxide doped with gadolinium Ce 0.9 Gd 0.1 O 1 is used as the oxide powder , 95 (CGO10), the powder is dispersed together with a solvent, with a dispersant and a plasticizer at a component ratio (mass fraction) of 40/55/1/2, respectively, in an ultrasonic bath, and then subjected to grinding with ceramic balls in a bead mill mode, adding a polymer binder during grinding to obtain a paste with a viscosity of 0.2 Poise.

Предпочтительно, в качестве:Preferably as:

- растворителя используют бутилгликоль (BG);- butyl glycol (BG) is used as a solvent;

- дисперсанта используют Disperbyk-111 (BYK-111);Disperbyk-111 (BYK-111) is used as a dispersant;

- пластификатора используют дибутилфталат (DBF);- dibutyl phthalate (DBF) is used as a plasticizer;

- полимерного связующего используют поливинилбутираль (PVB).- the polymer binder is used polyvinyl butyral (PVB).

Существенными отличительными признаками заявляемого технического решения являются:The essential distinguishing features of the proposed technical solution are:

- в качестве оксидного порошка используют порошкообразный оксид церия, допированный гадолинием Ce0,9Gd0,1O1,95 (CGO10);- powdery cerium oxide doped with gadolinium Ce 0.9 Gd 0.1 O 1.95 (CGO10) is used as the oxide powder;

- порошок диспергируют совместно с дисперсантом и пластификатором при соотношении компонентов (масс. д.): 40 / 55 / 1 / 2, соответственно, в ультразвуковой ванне;- the powder is dispersed together with a dispersant and a plasticizer at a ratio of components (wt. d.): 40/55/1/2, respectively, in an ultrasonic bath;

- порошок подвергают размолу керамическими шарами в режиме бисерной мельницы, добавляя в ходе помола полимерное связующее для контроля вязкости.- the powder is subjected to grinding with ceramic balls in a bead mill mode, adding a polymer binder during grinding to control the viscosity.

Поставленная задача решается благодаря совокупности существенных отличительных признаков.The task is solved due to a set of essential distinctive features.

Проведенный патентный поиск подтвердил новизну заявляемого технического решения.The conducted patent search confirmed the novelty of the proposed technical solution.

Примеры конкретного выполнения заявляемого способа.Examples of specific implementation of the proposed method.

Пример 1. Получение тонкого газоплотного слоя электролита состава Ce0,9Gd0,1O1,95 (CGO10) на поверхности микротрубчатого анодного композита состава NiO/CGO10 : 60/40 (масс. д) методом совместного спекания.Example 1. Obtaining a thin gas-tight layer of electrolyte composition Ce 0.9 Gd 0.1 O 1.95 (CGO10) on the surface of a microtubular anode composite composition NiO / CGO10: 60/40 (wt. E) by the method of joint sintering.

Электрохимические генераторы на основе твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) способны напрямую преобразовывать химическую энергию органического топлива в электроэнергию с высокой эффективностью (вплоть до 70%). На сегодняшний день основной тенденцией в области ТОТЭ технологий является снижение рабочей температуры элемента от 900 до 500-600°С для создания портативных устройств с тонким электролитом, что позволит понизить омическое сопротивление, а, следовательно, достигнуть большей мощности. Среди различных конструкций ТОТЭ (трубчатая и планарная) наиболее подходящей для портативных технологий является микротрубчатая (МТ) конструкция [1-4], благодаря возможности быстрого запуска и высокой удельной мощности.Electrochemical generators based on solid oxide fuel cells (SOFCs) are capable of directly converting the chemical energy of fossil fuels into electricity with high efficiency (up to 70%). Today, the main trend in the field of SOFC technologies is to reduce the operating temperature of the cell from 900 to 500-600 ° C to create portable devices with a thin electrolyte, which will reduce the ohmic resistance and, therefore, achieve higher power. Among the various SOFC designs (tubular and planar), the most suitable for portable technologies is the microtubular (MT) design [1-4], due to its quick start-up capability and high power density.

В заявляемом способе получения тонкого газоплотного слоя электролита CGO10 для микротрубчатого ТОТЭ исходная электролитная паста была приготовлена по следующей процедуре:In the claimed method for producing a thin gas-tight layer of CGO10 electrolyte for microtubular SOFC, the initial electrolyte paste was prepared according to the following procedure:

1 стадия - диспергирование порошка. 0,685 г дисперсанта (BYK-111) и 1,37 г пластификатора (DBF) растворяли в 37,68 г BG в ультразвуковой ванне в течение 20 мин. Затем медленно добавляли 27,4 г 10GDC при интенсивном перемешивании и ставили на ультразвуковую ванну на 1 ч. Далее проводили диспергирование на диссольвере DISPERMAT-55 в режиме бисерной мельницы в течение 1 ч при 300 rpm с использованием керамических бисерных шаров (YSZ) диаметром 1 мм. Объём шаров был равен объёму смеси.Stage 1 - powder dispersion. 0.685 g of dispersant (BYK-111) and 1.37 g of plasticizer (DBF) were dissolved in 37.68 g of BG in an ultrasonic bath for 20 minutes. Then, 27.4 g of 10GDC was slowly added with vigorous stirring and placed in an ultrasonic bath for 1 h. Then, dispersion was carried out on a DISPERMAT-55 dissolver in a bead mill mode for 1 h at 300 rpm using ceramic bead balls (YSZ) 1 mm in diameter ... The volume of the balls was equal to the volume of the mixture.

2 стадия - загущение пасты. 1,37 г полимерного связующего (PVB) растворяли в 15 мл BG и добавляли полученный раствор полимера в ходе помола. После этого увеличивали скорость вращения фрезы до 600 rpm и перемешивали пасту в течение еще 1 ч. Вязкость полученной пасты, определенная тензометром Brookfield (USA), составила 0.2(1) сПуаз.Stage 2 - thickening of the paste. 1.37 g of polymer binder (PVB) was dissolved in 15 ml of BG and the resulting polymer solution was added during milling. Thereafter, the rotational speed of the cutter was increased to 600 rpm and the paste was mixed for another 1 h. The viscosity of the resulting paste, determined by a Brookfield tensometer (USA), was 0.2 (1) cP.

Перечисленные ниже растворители можно использовать для приготовления пасты как индивидуально, так и в виде смеси двух и более компонентов:The solvents listed below can be used to prepare the paste either individually or as a mixture of two or more components:

изопропиловый спирт, изобутиловый спирт, метилэтилкетон, циклогексанон, пропиленгликоль монометиловый эфир, пропиленгликоль моноэтиловый эфир, дипропиленгликоль монометиловый эфир, трипропиленгликоль монометиловый эфир, бутиловый эфир этиленгликоля, ацетат метилового эфира пропиленгликоля, пропионат метилового эфира пропиленгликоля, ацетат бутилового эфира этиленгликоля, ацетат бутилового эфира диэтиленгликоля.isopropyl alcohol, isobutyl alcohol, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monoethyl ether, dipropylene glycol monomethyl ether, tripropylene glycol monomethyl ether, butyl glycol acetate, propylene glycol methyl ether propionate, propylene glycol methyl ether acetate, butyl glycol acetate, butyl glycol ether.

Примеры дисперсантов, которые можно использовать для стабилизации неорганических нано- и микрочастиц в пасте:Examples of dispersants that can be used to stabilize inorganic nano- and microparticles in a paste:

Solsperse 36000, Solsperse 41000, Solsperse 35000, Solsperse 36000 (производитель Avecia, Великобритания), Tego Disperse 650, Tego Disperse 652, Tego Disperse 655 (производитель Tego Chemie Service, Германия), Disperbyk 180, Disperbyk 101, Disperbyk 110, Disperbyk 111, BYK 381, BYK-P-104 (производитель Chemie-BYK, Германия).Solsperse 36000, Solsperse 41000, Solsperse 35000, Solsperse 36000 (manufacturer Avecia, Great Britain), Tego Disperse 650, Tego Disperse 652, Tego Disperse 655 (manufacturer Tego Chemie Service, Germany), Disperbyk 180, Disperbyk 101, Disperbyk 110, Disperbyk 111, BYK 381, BYK-P-104 (manufacturer Chemie-BYK, Germany).

Рентгенофазовый высушенной электролитической пасты, содержащей CGO10 приведен на (Фиг. 1). Данные РФА подтверждают химическую чистоту твердого компонента пасты после описанной выше процедуры (1 и 2 стадии), примесных натиров не обнаружено.The X-ray phase of the dried electrolytic paste containing CGO10 is shown in (Fig. 1). XRD data confirm the chemical purity of the solid component of the paste after the above procedure (stages 1 and 2), no impurity sats were found.

Нанесение электролитного слоя на анодные подложки производили методом dip-coating. Скорость окунания и вытягивания образца 40 см/мин. Толщина слоя при однократном нанесении составляет 2.0±0.1 мкм.The electrolyte layer was applied to the anode substrates by the dip-coating method. The speed of dipping and pulling the sample is 40 cm / min. The layer thickness for a single application is 2.0 ± 0.1 µm.

Показано, что паста, полученная описанным способом, позволяет получить газоплотный слой электролита при температуре не выше 1400°СIt is shown that the paste obtained by the described method makes it possible to obtain a gas-tight electrolyte layer at a temperature not higher than 1400 ° C.

Микроструктура слома анодных подложек с нанесённым электролитом CGO10, отожженным при 1400°C приведена на (Фиг. 2). Тестирование газоплотности проводили при помощи пенетранта NORDTEST 3000, проникающая способность которого сопоставима с газами.The microstructure of the fracture of the anode substrates coated with CGO10 electrolyte annealed at 1400 ° C is shown in (Fig. 2). Gas tightness testing was carried out using the NORDTEST 3000 penetrant, the penetration of which is comparable to that of gases.

Пример 2. Получение тонкого газоплотного слоя модифицированного литием электролита состава Ce0,9Gd0,1O1,95 (CGO10) на поверхности микротрубчатого анодного композита состава NiO/CGO10: 60/40 масс % методом совместного спекания с целью понижения максимальной температуры обработки.Example 2. Obtaining a thin gas-tight layer of a lithium-modified electrolyte of the composition Ce 0.9 Gd 0.1 O 1.95 (CGO10) on the surface of a microtubular anode composite of the composition NiO / CGO10: 60/40 mass% by the method of joint sintering in order to lower the maximum processing temperature ...

Для понижения рабочей температуры ТОТЭ на сегодняшний день наиболее предпочтительным вариантом конструкции является нанесенная тонкая газоплотная пленка электролита на пористой подложке на основе анодного материала. Главной проблемой оксида церия являются, прежде всего, плохие свойства спекания коммерчески доступных порошков, которые требуют высоких температур спекания (~ 1500°C) [5-7].To lower the operating temperature of SOFCs, the most preferred design option today is a thin gas-tight electrolyte film deposited on a porous substrate based on an anode material. The main problem with cerium oxide is, first of all, the poor sintering properties of commercially available powders, which require high sintering temperatures (~ 1500 ° C) [5-7].

Для развития технологии получения МТ ТОТЭ желательно сокращение стадий температурного отжига. Для этого, как правило, используют методику совместного спекания компонентов МТ ТОТЭ. Температура спекания электродных материалов (LSCF, LSM и тд), как правило, не выше 1350°C. При более высоких температурах происходит инконгруэнтное плавление электродного материала, в особенности катода, что делает невозможным совместное спекание катода и электролита. Таким образом, для совместного спекания комплектующих МТ ТОТЭ необходимо снизить температуру плавления электролитного материала, как наиболее тугоплавкого компонента, вплоть до 1350°C путем добавления спекающей добавки.To develop the technology for producing MT SOFCs, it is desirable to reduce the stages of thermal annealing. For this, as a rule, the method of joint sintering of MT SOFC components is used. The sintering temperature of electrode materials (LSCF, LSM, etc.), as a rule, is not higher than 1350 ° C. At higher temperatures, incongruent melting of the electrode material, especially the cathode, occurs, which makes it impossible to co-sinter the cathode and electrolyte. Thus, for joint sintering of MT components of SOFC, it is necessary to reduce the melting temperature of the electrolyte material, as the most refractory component, down to 1350 ° C by adding a sintering additive.

Преимуществом заявленного способа является вариативность при выборе твёрдой компоненты. Процесс приготовления пасты аналогичен приведённому в примере 1, за исключением состава порошка электролита. Так, в данном примере был использован модифицированный 3% лития CGO10, который был получен методом термического разложения смешанного прекурсора и был использован как в электролите, так и в анодном композите. Вязкость полученной пасты, определенная тензометром Brookfield (USA), составила 31.0(1) сПуаз.The advantage of the claimed method is the variability in the choice of the solid component. The process for preparing the paste is similar to that given in example 1, except for the composition of the electrolyte powder. So, in this example, we used a modified 3% lithium CGO10, which was obtained by the thermal decomposition of a mixed precursor and was used both in the electrolyte and in the anode composite. The viscosity of the resulting paste, determined by a Brookfield tensometer (USA), was 31.0 (1) cP.

Процесс нанесения электролитного слоя на анодные подложки аналогичен приведенному в примере 1. Толщина слоя при однократном нанесении составляет 5.0±0.1 мкм, что при одном цикле «нанесение слоя с 2х сторон» позволяет получить 10 мкм слой электролита, что является более технологичным способом. В примере 1, данный процесс необходимо было повторить, по крайней мере, 2 раза.The process of deposition of an electrolyte layer on anode substrates is similar to that given in example 1. The thickness of the layer with a single application is 5.0 ± 0.1 µm, which in one cycle of “2-sided layer application” allows obtaining a 10 µm electrolyte layer, which is a more technologically advanced method. In example 1, this process had to be repeated at least 2 times.

На Фиг. 3. приведена микроструктура (a) поверхности и (b) слома анодных подложек с нанесенным модифицированным 3% Li электролитом CGO10, отожженным при 1350°C. Полученный образец прошёл тест на газоплотность.FIG. 3. shows the microstructure of (a) the surface and (b) the fracture of the anode substrates coated with a modified 3% Li electrolyte CGO10, annealed at 1350 ° C. The resulting sample has passed the gas tightness test.

Пример 3. Аналогичен примеру 1, но температура спекания электролита составляет 1300°C. Показатели усадки образца приведены в таблице 1. Образец не газоплотный.Example 3. Similar to example 1, but the sintering temperature of the electrolyte is 1300 ° C. The shrinkage values of the sample are shown in Table 1. The sample is not gas-tight.

Пример 4. Аналогичен примеру 1, но температура спекания электролита составляет 1350°C. Показатели усадки образца приведены в таблице 1. Образец не газоплотный.Example 4. Similar to example 1, but the sintering temperature of the electrolyte is 1350 ° C. The shrinkage values of the sample are shown in Table 1. The sample is not gas-tight.

Пример 5. Аналогичен примеру 1, но температура спекания электролита составляет 1500°C. Показатели усадки образца приведены в таблице 1. Образец газоплотный.Example 5. Similar to example 1, but the sintering temperature of the electrolyte is 1500 ° C. Shrinkage parameters of the sample are shown in Table 1. The sample is gas-tight.

Пример 6. Аналогичен примеру 2, но температура спекания электролита составляет 1300°C. Показатели усадки образца приведены в таблице 1. Образец не газоплотный.Example 6. Similar to example 2, but the sintering temperature of the electrolyte is 1300 ° C. The shrinkage values of the sample are shown in Table 1. The sample is not gas-tight.

Пример 7. Аналогичен примеру 2, но температура спекания электролита составляет 1400°C. Показатели усадки образца приведены в таблице 1. Образец газоплотный.Example 7. Similar to example 2, but the sintering temperature of the electrolyte is 1400 ° C. Shrinkage parameters of the sample are shown in Table 1. The sample is gas-tight.

Пример 8. Аналогичен примеру 2, но температура спекания электролита составляет 1500°C. Показатели усадки образца приведены в таблице 1. Образец газоплотный.Example 8. Similar to example 2, but the sintering temperature of the electrolyte is 1500 ° C. Shrinkage parameters of the sample are shown in Table 1. The sample is gas-tight.

Пример 9. Аналогичен примеру 1, но вместо электролита CGO10 использовали высокотемпературный электролит 8YSZ. Температура спекания составляла 1450°C. Количество окунаний равно 2. Показатели толщины электролитного слоя приведены в таблице 2.Example 9. Similar to example 1, but instead of the CGO10 electrolyte, a high-temperature 8YSZ electrolyte was used. The sintering temperature was 1450 ° C. The number of dips is 2. The thickness of the electrolyte layer is given in Table 2.

Пример 10. Аналогичен примеру 6, но количество окунаний равно 4. Показатели толщины электролитного слоя приведены в таблице 2.Example 10. Similar to example 6, but the number of immersions is 4. Indicators of the thickness of the electrolyte layer are shown in table 2.

Пример 11. Аналогичен примеру 10, но вместо электролита 8YSZ использовали катодный материал состава Ba0.5Sr0.5Co0.75Fe0.2Mo0.05O3-z (BSCFM5). Показатели толщины электролитного слоя приведены в таблице 2.Example 11. Similar to example 10, but instead of the 8YSZ electrolyte, a Ba cathode material was used0.5Sr0.5Co0.75Fe0.2Mo0.05O3-z (BSCFM5). Indicators of the thickness of the electrolyte layer are shown in table 2.

Пример 12. Аналогичен примеру 10, но вместо электролита 8YSZ использовали катодный материал состава SrCo0.9Ta0.1O3-z (SCT10). Показатели толщины электролитного слоя приведены в таблице 2.Example 12. Similar to example 10, but instead of the 8YSZ electrolyte, a cathode material of the composition SrCo was used0.9Ta0.1O3-z (SCT10). Indicators of the thickness of the electrolyte layer are shown in table 2.

Пример 13. Аналогичен примеру 10, но вместо электролита 8YSZ использовали катодный материал состава Ba0.5Sr0.5Co0.78Fe0.2W0.02O3-z (BSCFW2). Показатели толщины электролитного слоя приведены в таблице 2.Example 13. Similar to example 10, but instead of the 8YSZ electrolyte, a Ba cathode material was used0.5Sr0.5Co0.78Fe0.2W0.02O3-z (BSCFW2). Indicators of the thickness of the electrolyte layer are shown in table 2.

Пример 14. Аналогичен примеру 10, но вместо электролита 8YSZ использовали катодный материал состава SrCoO3-z (SC). Показатели толщины электролитного слоя приведены в таблице 2.Example 14. Similar to example 10, but instead of the 8YSZ electrolyte, a cathode material of the composition SrCoO was used3-z (SC). Indicators of the thickness of the electrolyte layer are shown in table 2.

Из данных таблицы 1 видно, что усадка >20 обеспечивает газоплотный слой электролита. Из данных таблицы 2 видно, что предлагаемый способ позволяет использовать в качестве твёрдого наполнителя не только наноразмерный CGO10, полученный методом термического разложения смешанного прекурсора, но и другие составы, включая перспективные катодные материалы.From the data in Table 1 it can be seen that shrinkage> 20 provides a gas-tight electrolyte layer. From the data in Table 2, it can be seen that the proposed method makes it possible to use as a solid filler not only nanosized CGO10, obtained by the thermal decomposition of a mixed precursor, but also other compositions, including promising cathode materials.

Достигаемый технический результат, получаемый при использовании данного решения, заключается в упрощении технологии и снижении энергозатратности изготовления пасты с возможностью тонкого регулирования вязкости конечного продукта, упрощении технологии нанесения пасты, позволяющей получить слои различной толщины и относительной плотности, вплоть до формирования газоплотных слоев.The achieved technical result obtained by using this solution consists in simplifying the technology and reducing the energy consumption of making a paste with the possibility of finely adjusting the viscosity of the final product, simplifying the technology for applying the paste, which makes it possible to obtain layers of various thicknesses and relative densities, up to the formation of gas-dense layers.

Преимущества пасты, получаемой по данной технологии по сравнению с прототипом:Advantages of the paste obtained using this technology in comparison with the prototype:

- возможность в зависимости от метода нанесения покрытия и от требуемой толщины покрытия контролировать вязкость пасты, путем изменения соотношения растворителя и твёрдой фазы используемого оксида;- the ability, depending on the coating method and the required coating thickness, to control the viscosity of the paste by changing the ratio of the solvent and the solid phase of the oxide used;

- возможность наносить пасту различными методами: например, dip coating (окунание образца в пасту), spin coating (равномерное покрытие при интенсивном вращении образца) и paint-brushing (мануальное нанесение тонких слоев различными инструментами);- the ability to apply the paste by various methods: for example, dip coating (dipping the sample into the paste), spin coating (uniform coating with intensive rotation of the sample) and paint-brushing (manual application of thin layers with various tools);

- возможность вариации состава твёрдого компонента пасты в зависимости от требуемого функционала слоя.- the possibility of varying the composition of the solid component of the paste depending on the required functionality of the layer.

Таблица 1Table 1

ЭлектролитElectrolyte Усадка при 1300°C, %Shrinkage at 1300 ° C,% Усадка при 1350°C, %Shrinkage at 1350 ° C,% Усадка при 1400°C, %Shrinkage at 1400 ° C,% Усадка при 1500°C, %Shrinkage at 1500 ° C,% CGO10CGO10 1717 2121 2323 2727 CGO10 + 3% LiCGO10 + 3% Li 1717 2121 2323 2727

Таблица 2table 2

Состав пастыThe composition of the paste Вязкость пасты, сПуазViscosity of the paste, cPoise Количество окунанийNumber of dips Толщина, мкмThickness, micron CGO10CGO10 0.20.2 44 8-108-10 CGO10 + 3% LiCGO10 + 3% Li 3131 22 10ten 8YSZ8YSZ 3131 22 10ten 8YSZ8YSZ 3131 44 2525 BSCFM5BSCFM5 3131 44 2525 SCT10SCT10 3131 44 2525 BSCFW2BSCFW2 3131 44 2525 SCSC 3131 44 2525

Claims (5)

1. Способ получения пасты для тонкопленочного твердого электролита электрохимических устройств, включающий смешение оксидного порошка и органического растворителя, в качестве оксидного порошка используют порошкообразный оксид церия, допированный гадолинием Ce0,9Gd0,1O1,95 (CGO10), порошок диспергируют совместно с растворителем, с дисперсантом и пластификатором при соотношении компонентов (мас. д.): 40/55/1/2 соответственно в ультразвуковой ванне, а затем подвергают размолу керамическими шарами в режиме бисерной мельницы, добавляя в ходе помола полимерное связующее до получения пасты с вязкостью 0,2 Пуаз.1. A method of producing a paste for a thin-film solid electrolyte of electrochemical devices, including mixing an oxide powder and an organic solvent, as the oxide powder, powdered cerium oxide doped with gadolinium Ce 0.9 Gd 0.1 O 1.95 (CGO10) is used, the powder is dispersed together with a solvent, with a dispersant and a plasticizer at a ratio of components (wt. d.): 40/55/1/2, respectively, in an ultrasonic bath, and then subjected to grinding with ceramic balls in a bead mill mode, adding a polymer binder during grinding to obtain a paste with viscosity 0.2 Poise. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве растворителя используют бутилгликоль (BG).2. The method according to claim 1, characterized in that butyl glycol (BG) is used as the solvent. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве дисперсанта используют Disperbyk-111 (BYK-111).3. The method according to claim 1, characterized in that Disperbyk-111 (BYK-111) is used as a dispersant. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пластификатора используют дибутилфталат (DBF).4. The method according to claim 1, characterized in that dibutyl phthalate (DBF) is used as the plasticizer. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полимерного связующего используют поливинилбутираль (PVB).5. The method according to claim 1, characterized in that polyvinyl butyral (PVB) is used as the polymer binder.
RU2020120783A 2020-06-23 2020-06-23 Method of producing paste for thin-film solid electrolyte of electrochemical devices RU2739055C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020120783A RU2739055C1 (en) 2020-06-23 2020-06-23 Method of producing paste for thin-film solid electrolyte of electrochemical devices

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020120783A RU2739055C1 (en) 2020-06-23 2020-06-23 Method of producing paste for thin-film solid electrolyte of electrochemical devices

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2739055C1 true RU2739055C1 (en) 2020-12-21

Family

ID=74063045

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020120783A RU2739055C1 (en) 2020-06-23 2020-06-23 Method of producing paste for thin-film solid electrolyte of electrochemical devices

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2739055C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2777101C1 (en) * 2021-12-29 2022-08-01 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук Method for obtaining anode substrates with a developed microstructure used in multichannel sofcs

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2295804C2 (en) * 2001-07-18 2007-03-20 Тель-Авив Юниверсити Фьючер Текнолоджи Дивелопмент Л.П. Fuel element with proton-conducting membrane and with improved water and fuel flow regulation
RU2570509C1 (en) * 2014-11-27 2015-12-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Method of production of thin-film solid electrolyte for electrochemical devices
KR20180036307A (en) * 2016-09-30 2018-04-09 주식회사 엘지화학 Electrolyte of solid oxide fuel cell, solid oxide fuel cell comprising the same, composition for the electrolyte and method for manufacturing the electrolyte

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2295804C2 (en) * 2001-07-18 2007-03-20 Тель-Авив Юниверсити Фьючер Текнолоджи Дивелопмент Л.П. Fuel element with proton-conducting membrane and with improved water and fuel flow regulation
RU2570509C1 (en) * 2014-11-27 2015-12-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Method of production of thin-film solid electrolyte for electrochemical devices
KR20180036307A (en) * 2016-09-30 2018-04-09 주식회사 엘지화학 Electrolyte of solid oxide fuel cell, solid oxide fuel cell comprising the same, composition for the electrolyte and method for manufacturing the electrolyte

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2777101C1 (en) * 2021-12-29 2022-08-01 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук Method for obtaining anode substrates with a developed microstructure used in multichannel sofcs

Similar Documents

Publication Publication Date Title
dos Santos-Gómez et al. Recent progress in nanostructured electrodes for solid oxide fuel cells deposited by spray pyrolysis
Taillades et al. High performance anode-supported proton ceramic fuel cell elaborated by wet powder spraying
WO2003075383A2 (en) Solid oxide fuel cell components and method of manufacture thereof
Chasta et al. A review on materials, advantages, and challenges in thin film based solid oxide fuel cells
CN113258111B (en) Zirconium-based anode-supported solid oxide battery without isolation layer
Chen et al. Accelerating effect of polarization on electrode/electrolyte interface generation and electrocatalytic performance of Er0. 4Bi1. 6O3 decorated Sm0. 95CoO3-δ cathodes
Wang et al. Performance of La0. 8Sr0. 2Ga0. 8Mg0. 2O3-based SOFCs with atmospheric plasma sprayed La-doped CeO2 buffer layer
Zhang et al. Characterization of YSZ solid oxide fuel cells electrolyte deposited by atmospheric plasma spraying and low pressure plasma spraying
JP2023511694A (en) Interlayer for solid oxide
Itagaki et al. Anode-supported SOFC with thin film of proton-conducting BaCe0. 8Y0. 2O3− α by electrophoretic deposition
Lim et al. Low-temperature constrained sintering of YSZ electrolyte with Bi2O3 sintering sacrificial layer for anode-supported solid oxide fuel cells
KR20110051955A (en) Method of non-shrinkage fabrication of metal oxide thin film for solid oxide fuel cell by low temperature
KR20120140476A (en) Material for solid oxide fuel cell, cathode including the material and solid oxide fuel cell including the material
Tarragó et al. Deposition of nanostructured LSM perovskite thin film on dense YSZ substrate by airbrushed solution combustion (ASC) for application in SOFC cathodes
US20100092842A1 (en) Densified ceramic materials and related methods
Sındıraç et al. Microstructural investigation of the effect of electrospraying parameters on LSCF films
US9799891B2 (en) Method for producing an air electrode, the electrode thus obtained and its uses
Zhang et al. Repeatable preparation of defect-free electrolyte membranes for proton-conducting fuel cells
RU2739055C1 (en) Method of producing paste for thin-film solid electrolyte of electrochemical devices
Nikonov et al. Fabrication of microtubular solid oxide fuel cells by film compaction and co-sintering
CN106558716B (en) A kind of novel solid oxide fuel cell barrier layer and preparation method thereof
KR102261142B1 (en) SOFC cathodes using electrochemical technique and its manufacturing method
Pan et al. Preparation and characterization of Ta and monovalent alkali metals (Li, Na, K) co-doping on Sr11Mo4O23 electrolyte for solid oxide fuel cells
Shah et al. Fine-tuning thermal expansion characteristics of solid oxide fuel cell cathode via composite cathode fabrication
CN110563455B (en) Method for preparing SOFC ceramic connector by using improved liquid-phase auxiliary sintering mechanism