科学网—怀柔实验室周玉存、张骏/清华大学李建秋等：化学-机械协同调控实现受约束GDC阻挡层低温致密化，提升固体氧化物燃料电池界面-清华大学出版社学术期刊的博文
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2026-9-4 09:52
| 个人分类: JAC | 系统分类: 论文交流
原文出自 Journal of Advanced Ceramics （先进陶瓷）期刊
Cite this article:
Wang F, Yao Y, Liu Y, et al. Low-temperature densification of constrained GDC interlayers via chemo-mechanical regulation for stable solid oxide fuel cells. Journal of Advanced Ceramics , 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221367
文章 DOI ： 10.26599/JAC.2026.9221367
ResearchGate ： Low-temperature densification of constrained GDC interlayers via chemo-mechanical regulation for stable solid oxide fuel cells
基金支持： 本研究得到北京怀柔实验室重大项目和国家留学基金管理委员会（ CSC ）的支持。
一、导读
固体氧化物燃料电池（ SOFC ）的阴极 / 电解质界面需引入致密超薄的钆掺杂氧化铈（ GDC ）阻挡层，以缓冲热膨胀并抑制界面反应。但湿法成膜受基底约束，通常需 1300 ℃ 以上高温烧结，易导致元素互扩散，损害界面稳定性。北京怀柔实验室周玉存、张骏与清华大学李建秋等团队提出一种化学 - 机械协同调控策略：采用 Co 3 O 4 辅助烧结活化传质，结合 400 MPa 冷等静压（ CIP ）优化颗粒堆积。在 1200 ℃ 下， GDC 阻挡层相对致密度达 98.5% ，厚度约 1.8 μm 。采用该界面的单电池在 800 ℃ 下峰值功率密度达到 1.36 W·cm −2 ； 750 ℃ 下运行 460 h ，稳定阶段的衰减率为 0.48%/1000 h 。该工艺还完成了 10×10 cm² 电池的放大验证，为多层陶瓷器件低温致密化与界面稳定化提供了可扩展的思路。
二、研究背景
SOFC 能将燃料化学能直接转化为电能，具备燃料适应广、效率高、排放低等优势。当工作温度降至 650~800 ℃ 中温区间后，材料与界面的长期稳定性成为决定寿命的关键。用于氧电极的 La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3−δ （ LSCF ）兼具良好氧还原活性和混合离子 - 电子导电能力，但其中的 Sr 在热驱动下易向阴极 / 电解质界面富集，并与氧化钇稳定氧化锆（ YSZ ）反应，阻碍离子传导。
在 LSCF 与 YSZ 之间引入 GDC 阻挡层是常用解决方案，依靠连续致密的 GDC 层来降低界面传输阻力、限制 Sr 迁移并抑制界面反应。但刚性半电池基底上采用湿法工艺制备 GDC 薄膜时，基底对面内收缩的约束会产生拉应力，阻碍孔隙消除与传质，使薄膜处于受约束烧结状态。常规路线通常需超过 1300 ℃ 的高温才能达到足够致密度，而高温下 Ce–Zr 互扩散会在 GDC/YSZ 界面生成高阻抗固溶相。脉冲激光沉积、溅射等真空技术虽能制得致密薄膜，但在成本、沉积速率和大面积制备方面存在局限。因此，在丝网印刷、旋涂等湿法工艺兼容下，以更低温度实现受约束 GDC 薄膜的可靠致密化，是 SOFC 界面工程面临的重要科学与制造问题。
三、文章亮点
1 ）核心策略与致密化机理：提出化学 - 机械协同调控策略，引入 Co 3 O 4 作为烧结助剂以活化传质过程，并结合 400 MPa 冷等静压预处理优化素坯颗粒堆积，协同降低烧结能垒，改善受约束薄膜的致密化路径。
2 ）低温致密化与界面稳定性突破：在 1200 ℃ 下，成功制备厚度约 1.8 μm 、表观相对致密度达 98.5% 的 GDC 阻挡层。结构表征表明， GDC/YSZ 界面未观测到明显的 Ce–Zr 互扩散。经加速老化实验后，含 GDC 界面未解析出连续富 Sr 反应层。
电化学性能与长期耐久性提升：采用该界面的单电池在 800 ℃ 下峰值功率密度达 1.36 W·cm −2 ；在 750 ℃ 下进行 460 h 恒流测试，稳态阶段电压衰减仅为 0.42 mV/100 h ，对应衰减率 0.48%/1000 h ，显示出良好的长期运行可靠性。
可扩展制造验证与应用前景：将工艺放大至 10×10 cm 2 单电池（有效活性面积 81 cm 2 ），在 750 ℃ 、 0.8 V 条件下平均输出功率为 38.8 ± 4.5 W ，峰值功率达 60.6 W 。该结果初步验证了本技术路线与传统湿法制造工艺的良好兼容性，为多层陶瓷器件的高效、低成本制备提供了可规模化推广的技术方案。
四、研究结果及结论
1. 化学活化与堆积优化的协同致密化调控策略
本研究以 NiO–YSZ 阳极支撑半电池为基底，通过旋涂构筑 GDC 薄层，系统比较了原始、 Co 3 O 4 辅助、 CIP 处理及 Co 3 O 4 +CIP 协同处理四条路线的致密化效果，所有样品均在 1200 ℃ 空气中烧结 3 h 。
结果表明，原始 GDC 薄膜呈连通孔隙结构，致密度仅 80.4% ，厚度 5.2 μm ；单独 Co 3 O 4 辅助烧结将致密度提升至 87.7% ，厚度降至 3.7 μm ，表明其可改善传质但仍存残余孔隙；单独 CIP 处理将素坯堆积密度由 45.6% 提高至 63.2% ，烧结后致密度达 92.6% ，厚度 3.2 μm 。二者协同后，薄膜致密度达 98.5% ，厚度约 1.8 μm ，仅存少量孤立纳米孔。该结果揭示了 CIP 通过减少初始孔隙体积与连通性，缩短孔消除的特征扩散距离； Co 3 O 4 则作为烧结助剂促进传质。通过结构优化与动力学促进的结合，共同改善了受约束烧结的致密化行为，而非依赖某一单一微观机制。
2. 致密 GDC 层对跨界面离子传输的强化作用
在 650–800 ℃ 电化学测试中，协同处理电池在 800 ℃ 下峰值功率密度达 1.36 W·cm −2 ，优于原始、 Co 3 O 4 辅助和 CIP 处理电池。 750 ℃ 、 0.8 V 下，电池功率密度为 0.89 W·cm −2 ，较原始电池提升 17.1% 。
阻抗谱分析表明， 750 ℃ 时欧姆阻抗与极化阻抗分别为 0.070 和 0.638 Ω·cm 2 ，均得到有效抑制。性能提升并非源自单一因素，而是 CIP 与 Co 3 O 4 共同优化了孔结构、晶粒生长及 GDC/YSZ 界面连续性。
3. 长时运行与加速老化验证界面稳定性
在 750 ℃ 、 0.25 A·cm −2 下运行 460 h ，电池前 200 h 经历初期活化，随后进入稳定阶段。 200~460 h 电压衰减为 0.42 mV/100 h ，衰减率为 0.48%/1000 h （基于 200 h 电压值）。运行期间欧姆阻抗仅由 0.082 增至 0.097 Ω·cm 2 ，表明电解质 / 阻挡层 / 阴极界面离子传输通道保持稳定。阻抗分析显示，极化阻抗增长主要集中在中频区，与阳极功能层孔结构演化相关。而 GDC 层在 SEM–EDS 分辨率下仍保持致密连续，未检出连续富 Sr 界面反应层，证明阻挡层在长期运行中维持了有效的界面保护功能。
为进一步评估界面热稳定性，采用对称电池在 850 ℃ 空气中加速老化 600 h 。含 GDC 层电池的极化阻抗变化较小，而无 GDC 参比电池则持续增大。老化后参比样品在 YSZ 界面附近出现局部 Sr 富集及连续 Sr/Zr 信号增强区，含 GDC 样品则未见类似结构。该对照实验为致密 GDC 层在热驱动下抑制 Sr 扩散并减缓界面反应的作用提供了有效证据。
4. 大面积器件初步验证
将协同处理策略拓展至 10×10 cm 2 平板电池（有效活性面积 81 cm 2 ）。截面 SEM 显示，大电池约 1.8 μm 的 GDC 层保持致密、连续，与相邻层结合良好，未观测到开裂或脱层现象。
三片独立制备的电池在 750 ℃ 、 0.8 V 下输出功率分别为 42.0 、 40.8 和 33.6 W （平均值为 38.8 ± 4.5 W ），其中单片峰值功率达 60.6 W （ 0.75 W·cm −2 ）。该结果验证了协同策略与大面积丝网印刷、旋涂等湿法工艺的良好兼容性，为后续规模化制造提供了初步工艺可行性依据。
五、作者及研究团队简介
王福欢（第一作者） ，北京怀柔实验室科研人员，主要从事大面积固体氧化物燃料电池的设计与研发。
姚跃超（共同第一作者） ，北京怀柔实验室科研人员，主要从事固体氧化物燃料电池先进材料研发。
刘宇灿（共同第一作者） ，清华大学博士生，主要从事固体氧化物燃料电池界面稳定性研究。
周玉存（共同通讯作者） ，北京怀柔实验室科研人员、博士生导师，长期从事固体氧化物燃料电池材料和器件的设计、开发与应用研究。
张骏（共同通讯作者） ，北京怀柔实验室科研人员，主要从事固体氧化物燃料电池材料衰减与器件研发。
李建秋（共同通讯作者） ，清华大学教授、博士生导师，北京怀柔实验室科研人员，长期从事新能源动力系统技术研究。
作者及研究团队在 Journal of Advanced Ceramics 上发表的相关代表作：
（ 1 ） Zhang X, Wang C, Liu K, et al. Significantly enhanced stability and activity of a perovskite oxygen electrode for reversible protonic ceramic electrochemical cells by heterointerface engineering. Journal of Advanced Ceramics , 2025, 14(7): 9221108. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221108
《先进陶瓷（英文）》（ Journal of Advanced Ceramics ） 期刊简介
《先进陶瓷（英文）》于 2012 年创刊， 清华大学 主办， 清华大学出版社有限公司 出版， 清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室 提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被 SCIE 、 Ei Compendex 、 Scopus 、 DOAJ 、 CSCD 等数据库收录。现为月刊， 2025 年发文量为 202 篇； 2026 年 6 月发布的影响因子为 14 ，连续 6 年位列 Web of Science 核心合集 “ 材料科学，陶瓷 ” 学科 34 种同类期刊第 1 名； 2024 年 11 月入选 “ 中国科技期刊卓越行动计划二期 ” 英文领军期刊项目； 2026 年入选北京市支持高水平国际科技期刊建设（强刊提升）项目。 2023 年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社有限公司自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台 SciOpen 独家发布，标志着该刊结束多年来 “ 借船出海 ” 的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。
期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
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