激光烧结技术能够在室温下制备用于电解质支撑型固体氧化物燃料电池（SOFC）的电极

《Journal of the European Ceramic Society》：Laser sintering enables the room-temperature fabrication of electrodes for an electrolyte-supported solid oxide fuel cell (SOFC)

激光烧结制备固体氧化物燃料电池电极在10分钟内完成，比传统烧结效率提升246%，电极与电解质结合力增强，功率密度达0.173 W·cm?2。

　　

何春波|王超中|王春辉|赵浩然|倪久培|倪成胜

西南大学资源与环境学院，中国重庆北碚400715

摘要

激光烧结技术因其能够制造出复杂、功能性强且耐用的金属部件而受到广泛关注，但在制备多孔陶瓷薄膜方面的应用却较为有限。本研究利用激光烧结技术在10分钟内制备了固体氧化物燃料电池（SOFCs）的阴极和阳极。La_0.75Sr_0.25Co_0.5Fe_0.5O_3?δ和La_0.75Sr_0.25MnO_3?δ阴极以及Ni-金属陶瓷阳极被涂覆在Y_0.16Zr_0.84O_1.92电解质上，并在蓝光（450 nm）激光和常温条件下进行烧结。经过优化后，激光的能量密度分别为阴极8 J·mm^?2和阳极10 J·mm^?2，扫描速度为3–6 mm·s^?1，从而获得了均匀的细晶结构以及与电解质良好的粘附性。采用激光烧结技术的La_0.75Sr_0.25Co_0.5Fe_0.5O_3?δ阴极的电池峰值功率密度达到了0.173 W·cm^?2，比传统烧结方法制备的电池高出246%。这表明激光烧结技术是制备SOFC电极的一种有前景的方法。

引言

固体氧化物燃料电池（SOFCs）是一种电化学装置，能够将化学能高效转化为电能，并且不受卡诺循环的限制[1]。H₂的高效利用可以减少对化石燃料的需求，从而降低温室气体排放和全球变暖的影响[2]。

制造SOFCs需要高温烧结工艺来使陶瓷电解质致密化并增强其与电极的结合[3]。传统的烧结方法是通过电加热电池组件来促进离子和空位的扩散，以实现电解质的致密化和与电极的良好粘附[4],[5]。然而，约1000°C的高温烧结过程能耗较高[6]，且难以形成对高表面面积电极至关重要的纳米多孔结构[7],[8]。

传统的SOFCs高温烧结方法面临诸多挑战，因此人们开始探索替代的制备技术。利用瞬时高电流密度的焦耳加热技术已用于制备致密的氧化锆基电解质[9]，通常需要对样品进行预热（例如至800°C）以降低电解质的电阻率[10]。不过，这种技术不适用于非导电材料，这也限制了其广泛应用[11]。另一种方法是使用碳丝进行焦耳加热烧结，在绿色薄膜上实现烧结，从而减少电解质与电极之间的界面反应并缩短加热时间[12],[13]。但由于电热行为的非线性，瞬间的高温可能导致样品开裂、熔化或密度不均匀[14]。

黑光烧结和激光烧结（LS）利用光作为能源，具有较高的烧结效率[15],[16]。黑光烧结通过高功率光照整个样品，直到吸收的能量与辐射的能量达到平衡[17]。相比之下，激光烧结使用低功率激光系统产生高能量、局部化的辐照，通过计算机编程的扫描路径实现精确可控的烧结过程[18],[19]。

尽管激光烧结在陶瓷粉末烧结中的应用越来越受到重视，但其发展仍不成熟。已有研究尝试利用激光烧结在金属陶瓷支撑体上制备BCZYYb（BaCe_0.7Zr_0.1Y_0.1Yb_0.1O_3?δ）电解质[20]，但尚未进行电池性能测试以验证电解质的气密性。在本研究中，我们仅用10分钟就成功制备了氧化锆电解质上的电极，而传统方法则需要数小时。采用激光烧结制备的电池在功率输出上优于传统方法制备的电池，这归功于电极与电解质表面的优异粘附性以及烧结过程中细小的晶粒结构和较低的界面相互作用，从而增强了电化学反应。具体而言，激光烧结电池的峰值功率是传统烧结电池的两倍。这些结果表明，激光烧结技术是一种制备高性能SOFC电极的新方法。

结果

以LSCF阴极为例，其形态随激光扫描速度和功率的变化而变化（见图2）。在低激光功率（2.5 W）下，扫描速度的增加会导致电极与电解质的粘附性降低，并引起球形化及表面不规则现象。在高激光功率（6 mm·s^?1）下，虽然可以增加电极在电解质上的覆盖率和粘附性，但在低扫描速度（3 mm·s^?1）下可能会使电解质发生断裂。综合这些因素

讨论

激光烧结技术在金属部件的增材制造中已有应用[38],[39]，但在陶瓷烧结或SOFC制备中的应用仍然有限。虽然激光能量能快速熔化金属，但由于陶瓷的导热性差，会导致局部高温和热应力，从而产生裂纹。激光能量的不均匀分布也可能引发不均匀的热应力，进而导致裂纹[40],[41]。为减少或避免这些问题

结论

激光烧结已被证明是制备多孔SOFC电极的有效方法。激光功率和扫描速度显著影响电极在电解质上的均匀性和覆盖率。由于激光的局部化和精确加热特性，单个电池的烧结时间从传统方法的30小时缩短至10分钟，同时能耗仅相当于传统方法的2%。瞬间的高温加热减少了

作者贡献声明

何春波：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计、数据整理、概念构建。倪成胜：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、资金申请。倪久培：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、项目管理。赵浩然：初稿撰写、实验研究、数据整理。王春辉：实验研究、数据整理。王超中：方法论设计、实验研究、数据整理。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（NSFC，项目编号51702264）的支持，同时也得到了西南大学青年团队专项基金（Swuxjpy202303）的资助。