固态氧化物电池流延成型技术 & 超声涂覆膜层成型技术
流延成型（Tape Casting）是目前固态氧化物电池（SOFC/SOEC）核心组件（尤其是电解质薄膜与电极支撑层）规模化制备的主流工艺，具有厚度精准可控、大面积均匀性好、适合连续量产的显著优势。而超声涂覆膜层成型作为一种新型薄膜制备技术，凭借其在超薄层、复杂基材适配性上的独特优势，可与流延成型形成工艺互补，共同支撑SOFC功能层的高精度制备，是实现电解质超薄化、界面优化及特殊结构涂层制备的重要技术补充。
一、核心工作原理
流延成型与超声涂覆成型分属不同薄膜制备机理，二者在SOFC生产中可按需组合应用：
（一）流延成型原理
本质是一种陶瓷浆料的连续薄膜成型工艺，通过浆料在移动载体上的铺展-干燥-成膜过程，获得具有柔韧性与强度的陶瓷素坯膜。其核心机制包括：
1. 浆料分散：陶瓷粉体（如YSZ、LSM、NiO-YSZ等）在溶剂中通过分散剂作用实现稳定分散，形成均匀悬浮体系
2. 膜层成型：浆料经流延机刮刀在PET等柔性基底上形成预设厚度的湿膜，刮刀间隙决定初始湿膜厚度（通常为干膜厚度的1.5-2倍）
3. 干燥成膜：湿膜在可控温湿度环境中缓慢干燥，溶剂蒸发的同时，粘结剂在陶瓷颗粒间形成三维网状支撑结构，赋予素坯膜足够的强度与柔韧性
4. 后续处理：素坯膜经裁切、叠层、温压、排胶、高温烧结，最终形成致密电解质薄膜或多孔电极支撑结构
（二）超声涂覆膜层成型原理
基于超声波雾化与定向沉积机理，适用于超薄功能层、界面过渡层及复杂形状基材的涂层制备。其核心机制与系统组成如下：
1. 系统组成：主要包含超声波雾化器、精准送液装置、载气输送系统及基板加热装置，部分设备配备在线厚度监测模块以保障一致性。
2. 雾化沉积：超声波发生器产生高频振动，通过换能器传递至浆料，使浆料雾化形成尺寸均一的微小液滴（通常为微米至亚微米级）；载气将液滴定向吹送至预先加热的基板表面，液滴快速铺展并完成溶剂蒸发，形成连续薄膜。
3. 后处理适配：喷涂后的湿膜经干燥、排胶、烧结与基材形成牢固结合，可与流延素坯膜实现共烧一体化处理，简化制备流程。
二、完整工艺流程与关键参数
（一）浆料制备（双工艺适配优化）
流延与超声涂覆对浆料性能需求存在差异，需针对性调整配方以适配不同工艺：
| 步骤 | 关键操作 | 流延成型控制要点 | 超声涂覆成型控制要点 |
|---|---|---|---|
| 粉体预处理 | 煅烧、球磨、分级 | 控制粒径（亚微米级）与比表面积（<15 m²/g），减少团聚 | 粒径更精细（优选0.1-1μm），避免雾化头堵塞，提升涂层致密性 |
| 浆料调制 | 粉体+分散剂+溶剂+粘结剂/增塑剂 | 固含量50-60 vol%（电解质）、40-50 vol%（电极），粘度1000-3000 mPa·s，需兼顾流动性与稳定性 | 固含量30-45 vol%，粘度50-500 mPa·s，低粘度适配雾化需求，可不含增塑剂以简化排胶工艺 |
| 脱泡与陈化 | 真空脱泡+静置 | 真空度0.08-0.1 MPa，脱泡30-60 min，陈化12-24 h | 真空脱泡60-90 min，避免雾化后形成气泡缺陷，陈化4-8 h即可 |
注：超声涂覆浆料常用分散体系与流延兼容，有机基可选用乙醇-丙酮混合溶剂，水基体系采用PAA分散剂（pH调至9-10），保障与流延基材的界面兼容性。
（二）膜层成型与干燥（双工艺协同）
1. 流延成型与干燥
流延速度0.5-3 m/min，刮刀间隙50-200 μm，浆料温度25±2℃，环境湿度40-60%；采用分段干燥（前段30-40℃，后段50-60℃），气流速度0.3-0.5 m/s，干膜厚度5-500 μm，抗拉强度>1 MPa，满足后续叠层与加工需求。
2. 超声涂覆成型与干燥
工艺参数可精准调控以实现超薄层制备，核心参数如下：
– 核心参数：超声功率20-100 W，送液速率0.1-5 mL/min，载气流量5-20 L/min，喷涂距离50-150 mm，基板温度40-80℃。
– 干燥工艺：同步采用热风干燥（温度50-70℃，风速0.2-0.4 m/s），避免液滴堆积与边缘翘曲，单道涂层厚度可控制在50 nm-5 μm，多次叠加可达数十微米。
– 性能指标：涂层均匀度≥95%，表面粗糙度Ra<10 nm（经热处理后），缺陷密度<0.1%涂层面积。
3. 双工艺协同场景
可采用“流延打底+超声涂覆功能层”组合模式，如流延制备NiO-YSZ阳极支撑层（厚度300-500 μm），再通过超声涂覆沉积YSZ电解质超薄层（3-10 μm）及CGO扩散阻挡层（数百纳米至2 μm），大幅降低界面阻抗与欧姆损耗。
（三）后续关键工序
双工艺制备的膜层可共享后续处理流程，需重点优化共烧参数以保障界面结合：
1. 叠层与温压：流延素坯膜与超声涂覆膜层叠合后，经温压（温度60-80℃，压力10-30 MPa，时间10-30 min）实现界面紧密结合，超声涂覆的超薄层可有效避免叠层错位与应力集中。
2. 排胶与烧结：排胶采用梯度升温（1℃/min至450-600℃，保温2-4 h）；烧结温度1300-1500℃（YSZ体系），超声涂覆的超薄层可适当降低烧结温度（如1350℃以下），减少与金属基材的热膨胀失配。
三、技术分类与对比（流延vs超声涂覆）
两种工艺各有优劣，适配SOFC不同组件与生产需求，技术特点对比如下：
| 对比维度 | 流延成型 | 超声涂覆成型 |
|---|---|---|
| 核心优势 | 大面积连续量产、厚膜制备稳定、成本可控性强 | 超薄层精准制备、均匀度高、适配复杂基材（曲面/管状）、材料利用率高（减少浪费） |
| 膜厚范围 | 5-500 μm，适合支撑层与厚电解质层 | 50 nm-50 μm，主打超薄功能层与过渡层 |
| 适用组件 | 阳极/阴极支撑层、厚电解质膜、平面基板组件 | 超薄电解质膜、CGO扩散阻挡层、连接体涂层（如Cu-Co氧化物涂层）、曲面组件 |
| 技术难点 | 超薄层（<10 μm）均匀性差、复杂基材适配性低 | 高固含量浆料雾化易堵塞、长时间连续喷涂参数稳定性要求高 |
| 环保与成本 | 有机基体系有VOC排放，水基体系需优化稳定性 | 溶剂挥发易控制，材料浪费少，环保性更优，设备初期投入较高 |
四、常见缺陷与控制策略（含双工艺特有缺陷）
（一）流延成型常见缺陷
针孔/气泡（延长真空脱泡时间至60 min，分段干燥降速）、开裂/暗裂（优化粘结剂配比，降低干燥速率）、厚度不均（校准刮刀间隙，在线监控膜厚）、界面分层（优化温压参数，采用双层流延）。
（二）超声涂覆成型常见缺陷
– 雾化堵塞：原因是浆料固含量过高或粉体团聚，控制策略为降低固含量至30-40 vol%，强化粉体分散（延长球磨时间至8-12 h），定期清洗雾化头。
– 涂层针孔与翘曲：源于液滴尺寸不均或干燥过快，需调节超声功率与载气流量匹配液滴尺寸，采用梯度升温干燥（前段40℃，后段60℃）。
– 界面结合不良：因基板表面不洁或温度不足，需预处理基板（清洗除油+预氧化），控制基板温度在60-80℃，提升液滴铺展性。
五、技术进展与应用前景
1. 双工艺复合应用：采用“流延支撑层+超声涂覆功能层”一体化工艺，已实现5-7 μm YSZ致密电解质膜与NiO-YSZ支撑层的共烧制备，电池欧姆阻抗降低30%以上；在金属支撑SOFC中，超声涂覆制备的LSGM电解质层均匀度达95%以上，可在1000℃以下完成共烧。
2. 专项技术突破：超声涂覆在连接体涂层制备中已实现产业化应用，如SUS441不锈钢连接体表面Cu-Co氧化物涂层，经超声喷涂与热处理后，电导性能与耐腐蚀性显著提升，使用寿命延长至5000 h以上；在SOEC中，超声喷涂制备的350 nm CGO薄膜缺陷密度<0.1%，离子导电性满足高温电解需求。
3. 未来发展方向：一是开发适配高固含量浆料的超声雾化装置，解决堵塞问题；二是建立双工艺协同的自动化控制系统，实现参数实时调控与大规模生产一致性保障；三是优化水基体系超声涂覆工艺，推动全流程绿色生产；四是拓展复合工艺在管状、蜂窝状SOFC组件中的应用，突破传统平面结构限制。
流延成型与超声涂覆成型的协同应用，可充分发挥前者规模化、低成本的优势与后者高精度、高灵活性的特点，为固态氧化物电池向超薄化、高性能、多结构方向发展提供核心技术支撑，加速其从实验室走向产业化的进程。
关于驰飞
驰飞的解决方案是环保、高效和高度可靠的，可大幅减少过量喷涂，节省原材料，并提高均一性、转移效率、均匀性和减少排放。为企业提供围绕功能涂层的全套解决方案及长期技术支持，保证客户涂层稳定量产；针对特殊器械涂层需求，提供涂层定制研发服务；提供各类涂层代工服务。
杭州驰飞是超声镀膜系统开发商和制造商，产品主要应用于燃料电池质子交换膜喷涂、薄膜太阳能电池、钙钛矿、微电子、半导体、 纳米新材料、玻璃镀膜、 生物医疗、纺织品等领域。
