固體氧化物電池(SOC)是效率最高的電化學(xué)能量轉換技術(shù)之一，在可逆模式(R-SOC)運行時(shí)能夠高效發(fā)電(SOFC模式)，或將可再生電力轉化為化學(xué)品儲存(SOEC模式)，實(shí)現電能與化學(xué)能之間的高效靈活轉換。SOC單電池是典型的多層薄膜陶瓷器件，由氧電極、電解質(zhì)和氫電極等組成，目前應用較廣的是以YSZ(Y2O3穩定ZrO2)為電解質(zhì)的Ni-YSZ氫電極支撐單電池，因其實(shí)現了電解質(zhì)薄膜化，在700–800°C中溫區間具有較高的性能輸出，但面臨氧電極/電解質(zhì)界面元素擴散、氧電極剝離、氫電極中Ni金屬團聚等化學(xué)兼容性和結構穩定性問(wèn)題。因此，大量文獻報道中的研究工作圍繞新型材料體系開(kāi)發(fā)、制備工藝及運行方法優(yōu)化等方面開(kāi)展。

在諸多氫電極支撐固體氧化物電池的文獻報道中，均存在R-SOC電化學(xué)性能不對稱(chēng)現象，即在相同偏壓(相比于開(kāi)路電壓)數值下，SOFC發(fā)電和SOEC電解電流密度不一致的現象，通常為發(fā)電性能優(yōu)于電解性能，但該不對稱(chēng)現象并未得到深入研究。Ebbesen等認為，SOFC發(fā)電模式中的放熱反應和SOEC電解中的吸熱反應導致的溫差是產(chǎn)生R-SOC電化學(xué)性能不對稱(chēng)的因素之一。

Kishimoto等通過(guò)實(shí)驗研究并結合模擬計算發(fā)現，在j–V曲線(xiàn)的活化與濃差極化區都表現出不對稱(chēng)行為，活化區的不對稱(chēng)性主要是電荷轉移系數不等引起的，濃差極化區的不對稱(chēng)性則與克努森擴散效應引起的氫氣和水蒸汽的非等摩爾反向擴散有關(guān)；因此認為R-SOC電化學(xué)不對稱(chēng)現象主要與氫電極微觀(guān)結構有關(guān)，并提出優(yōu)化氫電極孔隙率和孔徑可以增強氣體擴散、減弱不對稱(chēng)性。而在關(guān)于電解質(zhì)支撐固體氧化物電池的相關(guān)報道中8,9，R-SOC的電化學(xué)性能呈現出良好的對稱(chēng)性，這進(jìn)一步說(shuō)明R-SOC的不對稱(chēng)現象主要由氫電極擴散阻抗引起。

在SOC單電池中，隔離層不僅需要阻擋氧電極和電解質(zhì)之間的化學(xué)反應，還應具有較高的氧離子電導率和較強的界面結合能力。研究表明，通過(guò)優(yōu)化隔離層可顯著(zhù)提升SOC性能和穩定性，比如采用多種方法提高隔離層致密度，從而減小電解質(zhì)歐姆阻抗、阻擋氧電極Sr等元素的遷移擴散。但是上述研究主要關(guān)注于電解質(zhì)、隔離層和陰極之間的化學(xué)反應、元素擴散、界面雜相等方面，缺乏隔離層對R-SOC電化學(xué)不對稱(chēng)性影響的研究。在前期工作中，我們提出了一種水熱原位生長(cháng)制備致密薄膜GDC(Gd2O3摻雜CeO2)隔離層的方法，同時(shí)降低了單電池歐姆阻抗和極化阻抗，實(shí)現了SOFC模式下的高性能穩定運行。相比于物理氣相沉積、脈沖激光沉積、磁控濺射等多種先進(jìn)鍍膜技術(shù)，水熱原位生長(cháng)技術(shù)的成本低、能耗小、放大均一性高，具有非常好的應用前景。

基于此，本文基于兩種孔隙率不同的Ni-YSZ氫電極支撐單電池，系統研究并對比了絲網(wǎng)印刷制備的多孔GDC隔離層和水熱原位生長(cháng)的致密薄膜隔離層對SOC性能的影響，探究了R-SOC電化學(xué)不對稱(chēng)性的影響機理及其調控方法。

1、實(shí)驗

1.1單電池制備

本文制備了四種Ni-YSZ氫電極支撐單電池。

其中，小孔氫電極支撐半電池來(lái)自徐州華清京昆能源有限公司，于1320°C燒結后YSZ電解質(zhì)厚度物理化學(xué)學(xué)報Acta Phys.-Chim.Sin.2025,41(1),100005(3 of 7)約為13μm；大孔氫電極支撐半電池為實(shí)驗室共流延-共燒結制備，制備方法與前期文獻20報道類(lèi)似。具體地，陽(yáng)極支撐體中加入了10%(wt.)球形石墨和淀粉(質(zhì)量比1:1)作為造孔劑，半電池共燒結溫度為1320°C，燒結后YSZ電解質(zhì)厚度約為16μm。