“秒”变高效！极端热处理（EHT）技术加速SSOC电极生产
随着全球能源需求的日益增长和环境污染问题的日益严重，开发高效、环保的能源转换技术变得尤为重要。固体氧化物电池（SOC）作为一种高效的能量转换装置，因其在固体氧化物燃料电池（SOFC）和固体氧化物电解池（SOEC）两种模式下都能高效运行而备受关注。然而，传统的SOC制备过程复杂、耗时且成本较高，特别是在电极的制备上，需要长时间的高温烧结，极大限制了其大规模生产和商业化进程。因此，开发一种快速、高效的电极制备技术对于推动SOC技术的发展具有重要意义。
文章简介
近日，东南大学的樊巍巍研究员和福建师范大学的陈育明教授等人在《Energy & Environmental Materials》上发表了题为“Rapid Fabrication of Electrodes for Symmetrical Solid OxideCells by Extreme Heat Treatment”的论文。本研究设计并开发了一种新颖的极端热处理（Extreme Heat Treatment, EHT）技术，用于快速制备SSOCs的电极。EHT技术通过提供强化的反应动力学，使得电极的制备时间从传统的数十小时缩短至秒级，这在目前是最快的电极制备方法。利用EHT技术制备的电极不仅展现出多孔结构，而且与电解质之间具有良好的粘附性，这有助于提升电池的电化学性能。
与此相对，传统方法制备的电极结构较为致密，颗粒尺寸较大，这主要是由于长时间的热处理过程所致。EHT技术制备的电极在电化学性能上表现出色，特别是在900°C的测试条件下，电极的峰值功率密度（PPD）达到了966 mW cm⁻²，显示出巨大的应用潜力。
此外，本研究还发现，通过快速外延处理，可以调节钙钛矿型电极的电催化活性，从而增加活性位点，进一步增强电化学反应。这一发现为SSOCs电极材料的性能优化提供了新的思路。
图文导读
图1详细展示了固体氧化物电池（SOC）的工作原理，包括固体氧化物燃料电池（SOFC）和固体氧化物电解池（SOEC）两种模式。此外，还对比了传统方法与EHT方法在电极制备工艺上的差异。传统方法需要数十小时的高温烧结，而EHT技术仅需要约10秒，显著提高了制备效率。
图2展示了EHT方法的温度曲线、喷雾打印过程以及制备出的SSOC。通过EHT技术，我们能够在极短的时间内实现电极材料的快速相变和致密化。XRD分析表明，EHT处理后的LCT（LCT-EHT）和LCTN（LCTN-EHT）电极显示出了期望的钙钛矿结构，证明了EHT技术在快速形成钙钛矿结构方面的有效性。扫描电子显微镜（SEM）图像进一步揭示了EHT处理后电极的多孔结构和良好的电解质附着性，这对电化学反应的进行至关重要。
图3通过电化学阻抗谱（EIS）研究了EHT制备的电极的电化学性能。结果显示，EHT处理后的LCT和LCTN电极在不同温度下的极化电阻显著降低，表明了其出色的电催化活性和稳定性。特别是经过化学气相处理后的LCTN-EHT电极，在900°C时的极化电阻大幅下降，显示出了卓越的电化学性能。
图4展示了EHT制备的电极在全电池性能测试中的出色表现。在700°C至900°C的温度范围内，EHT-LCTN和经过特殊处理的LCTN-EHT电极展现出了显著提升的峰值功率密度（PPD），其中LCTN-EHT电极在900°C时的PPD值高达966 mW cm⁻²，几乎比新鲜电极提高了9倍。这一结果不仅证实了EHT技术在提升电极电化学性能方面的显著效果，也展示了其在推动SSOCs实用化进程中的重要作用。
展望总结
本研究成功开发了一种极端热处理（EHT）技术，用于快速制造对称固体氧化物电池（SSOCs）的电极。该技术以其独特的加热机制，能够在极短的时间内（秒级）完成电极材料的制备，相较于传统方法（需要数十小时）显著提高了生产效率。EHT技术制备的电极不仅展现出多孔结构，而且与电解质之间实现了良好的接触，这对于提升电池的电化学性能至关重要。
研究结果表明，EHT方法制备的电极在经过快速外延处理后，其电催化活性得到了显著增强，这主要得益于新形成的活性位点。特别是在900°C的测试条件下，电极的峰值功率密度（PPD）达到了966 mW cm⁻²，这一数值几乎是未经处理的新鲜电极的九倍，充分证明了EHT技术在提升电极性能方面的卓越效果。
总体而言，这项研究不仅为SSOCs电极的快速制备提供了一种全新的技术路径，而且对于推动全固态电池技术的发展具有重要的科学意义和应用价值。随着EHT技术的进一步优化和应用，预期将为能源转换和存储领域带来更多创新性的解决方案，加速全固态电化学装置的商业化进程。
文章链接
Rapid Fabrication of Electrodes for Symmetrical Solid Oxide Cells by Extreme Heat Treatment.
Weiwei Fan; Zhu Sun; Manxi Wang; Manxian Li; Yuming Chen. ISSN: 2575-0348 , 2575-0356;
DOI: 10.1002/eem2.12718
Energy & environment materials, 2024, Vol.7(5)
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