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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Co3O4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La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3−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Co3O4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 cm2单电池（有效活性面积81 cm2），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、Co3O4辅助、CIP处理及Co3O4+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Co3O4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；Co3O4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、Co3O4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·cm2，均得到有效抑制。性能提升并非源自单一因素，而是CIP与Co3O4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·cm2，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 cm2平板电池（有效活性面积81 cm2）。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。
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