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2024
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行业新知 | 光固化DLP 3D打印NiO-YSZ阳极材料用于固体氧化物燃料电池的性能研究
作者：
奇遇科技
行业新知
近日，南方科技大学Haijiang Wang团队在《Journal of the European Ceramic Society》发表了题Vat photopolymerization 3D printing of NiO-YSZ anode for solid oxide fuel cells的研究，利用光固化DLP 3D 打印技术制备用于固体氧化物燃料电池（SOFC）的氧化镍-氧化钇稳定氧化锆（NiO - YSZ）阳极结构，并对其性能进行了研究和分析。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2024.02.020
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研究内容
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高效、环保的全固态燃料电池，能够在高温下将化学能直接转化为电能，具有良好的功率密度和燃料多样性。其性能受到材料组成和结构设计等多种因素的影响，通过优化电极-电解质界面和降低电阻，可以提高功率输出。然而，传统结构调控技术如相转化和机械加工存在局限，难以实现复杂或定制化的部件。
近年来，陶瓷增材制造技术在SOFC中得到应用，但各有局限性。本研究重点以打印的氧化镍-氧化钇稳定氧化锆（NiO-YSZ）阳极材料为基础，制备了以8YSZ作为电解质、镧锶锰氧化物-掺钇稳定氧化锆（LSM-YSZ）作为阴极材料的SOFC电池。对比分析了通过干压（DP）传统方法制备的SOFC，重点关注阳极微观结构、电力输出和交流阻抗。结果表明，光固化DLP 3D打印可以成为一种制造用于SOFC的几何复杂NiO-YSZ阳极结构的有前途的方法。
△图1，(a) 8YSZ、(b) NiO 和 (c) LSM 粉末的 SEM 图像。
△图2，（a）UV 浆料制备流程图。（b）NiO-YSZ 阳极支撑的 SOFC/SOEC 的 DLP 3D 打印示意图。
△图3，（a）不同固相含量的 NiO-YSZ 样品的脱脂结果（I-III：在 N2 中脱脂，IV：N2 脱脂后再空气脱脂）。（b）20vol% 固相含量 NiO-YSZ 浆料的粘度特性、（c）沉降特性和（d-e）固化特性。
△图4，(a) 空气气氛和 (b) N2 气氛中的 TGA。样品在 (c) 空气和 (d) N2 气氛中脱脂。(e) 通过 N2-空气两步脱脂工艺脱脂的样品。(f) N2-空气两步脱脂和预烧结曲线。
△图5，(a) 通过 DLP 打印 NiO-YSZ 阳极基底制备的 SOFC 全电池的横截面。(b) 阴极层、(c) 阳极层和 (d) 电解质层的微观结构。(e) DLP 打印阳极支撑层的 EDS 元素映射。
△图6，(a) 通过传统 DP 工艺制备的 SOFC 全电池的横截面。(b) 阴极层、(c) 阳极层和 (d) 电解质层的微观结构。(e) 原始 NiO 粉末、8YSZ 粉末、DP 和 AM NiO-YSZ 阳极结构的 XRD 图案。(f) 阳极基底的孔径分布。
△图7，通过 (a) DP 工艺和 (b) DLP 打印制备的 SOFC 的 J-V-P 曲线。(c) 不同温度下 AM 和 DP 样品的峰值功率密度比较。(d) SOFC 等效电路。(e-g) 0.8 V 下 AM 和 DP 样品的 EIS 比较。(h) AM 样品和 (i) DP 样品的阻抗拟合分析结果。
△图8，DP 制备阳极的微观结构（a）在 H2 还原之前和（b）之后。AM 制备阳极的微观结构（c）在 H2 还原之前和（d）之后。（e）DP 样品和（f）AM 样品中多孔阳极气体输送示意图。
△图9，使用制备好的 NiO-YSZ 浆料通过 DLP 打印制备的各种阳极支撑结构演示（注：所有样品均为打印的胚体，比例尺：5 毫米）。
结论
本研究开发了一种光聚合（VP）3D打印工艺，用于制造SOFC的NiO-YSZ阳极结构，并将其与传统的直接打印（DP）工艺制造的电池进行了比较。主要结论如下：
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制备的NiO-YSZ UV浆料表现出显著的剪切稀化行为，低粘度（在30 s⁻¹剪切速率下为0.55 Pa⋅s）和长期稳定性，且在低光散射下具备约56 µm的固化深度，适合用于复杂阳极结构的VP 3D打印。
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通过优化包含氮气和空气氛围的两步去粘过程，成功减轻了去粘过程中出现的开裂和变形问题。
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使用DLP工艺制造的SOFC电池在750°C、800°C和850°C下展现出更优的性能，峰值功率密度分别为239 mW⋅cm⁻²、364 mW⋅cm⁻²和536 mW⋅cm⁻²，相较于传统DP制造的电池（217 mW⋅cm⁻²、322 mW⋅cm⁻²和433 mW⋅cm⁻²）有显著提升，主要归因于增材制造样品中均匀细致的孔结构，降低了极化电阻。
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