热喷涂实验室在Journal of power sources期刊上发表最新研究成果
热喷涂实验室李长久教授课题组在固体氧化物燃料电池（SOFC）电解质制备方面取得新的进展。10月10日，该组张山林讲师在Journal of Power Sources期刊上（国际知名能源类期刊，IF 6.217）发表了题为“Application of high velocity oxygen fuelflame (HVOF)sprayingto fabrication of La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3 electrolyte for solid oxidefuel cells”的研究论文。
20%Sr和Mg掺杂LaGaO3 (LSGM)作为一种高氧离子电导率材料在中低温SOFC电解质薄膜中具有较好的应用前景。然而，尽管LSGM熔点较低（约为1700°C），却需要在较高的温度（>1400°C）下才能烧结致密。高的烧结温度往往会带来电池变形、开裂，以及界面反应等诸多问题，因而也限制了LSGM的应用。与传统的电解质制备工艺，如丝网印刷、流延成型等相比，热喷涂技术具有一次成型，不需要高温烧结，低成本、高效率等特点在SOFC制备领域具有广泛的应用。基于以上背景，热喷涂实验室开展了大量的采用热喷涂技术制备LSGM电解质薄膜的相关研究。
前期的研究结果表明，在采用等离子喷涂制备LSGM电解质时，由于小直径颗粒在高温等离子射流中将被加热到过高的温度等原因导致在喷涂过程中存在Ga元素的选择性蒸发。Ga的蒸发使得电解质成分及相结构发生了变化，从而导致了LSGM涂层的电导率仅为块体的4% （相关结果2015年3月发表于Journal of Materials Chemistry A，IF 7.443，文章链接：
http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2015/ta/c5ta01203a#!divAbstract）。因此，结合LSGM低熔点的特点，继而在本研究中提出了采用热源温度相对较低的超音速火焰喷涂（HVOF）制备LSGM电解质薄膜的新方法。首先，对超音速火焰温度场，速度场，以及粒子在热源中的加热加速过程进行了数值分析。结果表明LSGM颗粒在超音速火焰喷涂过程中粒子温度将显著下降，使得Ga的蒸发速率显著下降。而且粒子速度大幅度提升，减少了蒸发时间，从而最终得到了元素比例和相结构与原始粉末完全一致的LSGM薄膜。由该工艺制备的LSGM在800 °C时电导率达到了0.04 S/cm。
图1 HVOF沉积的不同直径粒子中Ga与La之比
图2 HVOF制备的LSGM电解质电导率