SOFC氧化锆电解质薄膜流延成型技术
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一类在高温环境下，通过电化学反应将燃料化学能直接转化为电能的全固态发电装置。凭借能量转换效率高、燃料适配范围广、产物清洁无污染等突出优势，该技术被广泛认为是21世纪最具发展潜力的新能源方向之一。在SOFC的核心组件中，电解质多采用氧化物陶瓷材料，具体为烧结固熔体电解质——完全稳定化氧化锆（ZrO₂），其中钇稳定氧化锆（YSZ）是目前应用最广泛的电解质材质。
为降低离子扩散过程中的欧姆极化损耗，电解质层需尽可能减薄，厚度通常控制在毫米甚至微米级。因此，如何制备性能达标、满足使用要求的YSZ薄膜，已成为当前相关领域的研究热点与技术难点。流延成型作为电子工业中制备陶瓷薄片或陶瓷聚合物复合薄片的成熟工艺，目前也已成为氧化锆电解质素坯的主流制备手段之一。
一、流延成型的工作原理
流延成型（Tape Casting）的工艺流程可分为多个关键环节：首先，将陶瓷粉体与分散剂加入溶剂（水或有机溶剂）中，通过初次球磨打破颗粒团聚状态，确保溶剂充分润湿粉体；随后加入粘结剂与增塑剂，经二次球磨制备出稳定均一的浆料；将该浆料导入流延机，在设备作用下成型为素坯；接着通过干燥工序使溶剂蒸发，此时粘结剂会在陶瓷颗粒间形成网状支撑结构，得到具有一定强度的素坯膜；之后根据需求对素坯膜进行裁切等加工，获得特定形状；最终经排胶、烧结处理得到成品。
将该工艺应用于SOFC制备时，需先通过流延成型分别制备出厚度均匀、无明显缺陷的YSZ电解质层与阳极层，再将两者叠层后进行温压处理，随后通过共烧工艺获得半成品，最后采用丝网印刷技术制备阴极层，完成单电池的组装。由于YSZ陶瓷薄膜本身机械强度较低，叠层温压过程中易出现开裂、鼓泡、分层等问题，当前行业多采用双层流延工艺进行优化——直接在阳极层表面流延成型电解质层，以此简化后续叠层温压工序，提升制备稳定性。
二、氧化锆薄膜的核心性能指标
氧化锆薄膜的性能指标中，离子电导率最为关键，其次是电解质层的致密度与气密性，同时机械强度也需满足使用要求。具体表现为：
1. 离子电导率
较高的氧离子电导率不仅能提升SOFC的输出性能与运行功率，还能增强电池长期工作的稳定性，是保障电池核心功能的基础指标。
2. 致密度与气密性
YSZ电解质薄膜对致密度与气密性要求严苛，核心原因在于需防止阳极侧燃料气体与阴极侧氧气发生相互渗透及反应。若电解质层致密度不足、气密性较差，易出现气体泄漏问题，可能引发电池短路，最终导致开路电压下降及整体性能衰减。
3. 机械强度
为保障SOFC在长期运行过程中的结构安全，氧化锆薄膜需具备足够的机械强度，以抵御温度循环、压力变化等工况带来的结构冲击。
三、影响电解质薄膜性能的关键因素
1. 浆料组成
浆料组成是决定流延生带性能的核心参数，直接影响生带的抗拉强度、柔韧性及生带密度等关键指标。陶瓷粉体作为生带的功能性核心成分，其在浆料中的含量直接决定了最终氧化锆电解质薄膜的性能上限。从理论上讲，氧化锆陶瓷浆料的固含量越高越有利于提升薄膜性能，但固含量过高会导致浆料粘度急剧增加，反而影响成型效果。因此需通过合理调配固含量、溶剂、粘结剂等组分，实现浆料性能与后续成型需求的平衡。其中，烧结助剂、粘结剂体系及分散剂种类，是影响浆料固含量、流变性及最终薄膜性能的核心因素。
2. 流延工艺参数
流延工艺参数涵盖流延速度、干燥环境、脱脂及烧结工艺等多个方面。在流延成型阶段，浆料在移动基板的驱动下形成压力流与拖曳流的复合流态，刮刀与基板间的间隙直接决定流延膜的初始厚度，而浆料自身的表面张力则会影响膜面的光滑度。为获得厚度均一的氧化锆生带，需通过均匀混合浆料、将粘度控制在合理范围、精确调整刮刀间隙及保持浆料液面高度稳定等方式实现精准控制。
氧化锆生带的干燥过程本质上是聚合物链收缩、颗粒沉降与重排的综合过程。由于浆料中含有大量溶剂，溶剂的蒸发速率直接影响生带质量——若蒸发速度过快，易导致生带出现卷曲变形、开裂等缺陷。因此需根据坯片厚度、固相体积分数及有机物含量等参数，精确控制干燥环境的温度、相对湿度及气流速度，确保溶剂缓慢均匀蒸发。
排胶工序的核心目的是通过高温处理使粘结剂分解并从素坯中脱除，其过程机制与干燥过程有相似之处，主要包括粘结剂高温分解、分解产物向素坯表面扩散及挥发三个阶段，与干燥过程的核心区别在于排胶所需的温度显著更高，需通过梯度升温等方式避免素坯因热应力受损。
四、氧化锆薄膜性能的优化方向
当前SOFC多采用“燃料电极支撑层+YSZ电解质薄膜”的结构设计，该结构既能保障电池安全运行，又能有效降低欧姆阻抗的负面影响。研究人员主要从两个维度优化氧化锆薄膜性能：一是通过减薄电解质层厚度降低欧姆电阻；二是通过调整电解质结构提升离子电导率。
1. 电解质厚度优化
SOFC的欧姆电阻主要来源于电解质层，因此减薄电解质厚度是降低欧姆电阻与电极极化电阻的有效手段，可直接提升燃料电池的输出性能。在工业生产中，电解质层的厚度主要通过控制流延机刮刀高度实现精准调控。但电解质厚度的减薄存在技术上限——过度减薄虽能进一步降低欧姆电阻，却会导致电解质层机械强度与气密性显著下降，当厚度低于临界值时，长期运行中易出现破裂风险。因此电解质层厚度需在“高电导率”与“结构安全”之间寻求平衡，确保同时满足性能与可靠性要求。
2. 电解质结构优化
离子电导率直接决定SOFC的功率密度与开路电压，是电解质薄膜的核心性能指标。当前YSZ电解质薄膜在中低温环境下离子电导率较低，需将操作温度提升至800～1000℃才能保证足够的离子电导。而高温操作会引发一系列问题：一是限制了电池材料的选择范围，增加了材料适配难度；二是显著提升电池制备与运行成本；三是加速材料老化，缩短电池使用寿命。因此通过结构设计优化提升YSZ电解质的中低温离子电导率，已成为降低SOFC运行温度、推动技术落地的关键方向。
超声喷涂技术作为一种新型薄膜制备工艺，在SOFC电解质、电极层的制备中展现出显著优势，为SOFC薄膜制备提供了新的技术路径。该技术基于超声波的雾化作用，将制备好的浆料转化为微小且均匀的液滴，再通过载气将液滴精准输送至基板表面，经干燥、烧结等后续处理形成致密均匀的薄膜。
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