孔隙率与镍含量协同优化策略对Ni-YSZ阳极氧化还原热应力的影响机制研究

本文针对Ni-YSZ阳极在固体氧化物燃料电池(SOFC)中的热机械失效问题，通过系统研究孔隙率与镍含量的协同效应对氧化还原(RedOx)热应力的影响机制。研究人员采用多尺度模拟与实验验证相结合的方法，揭示了孔隙结构梯度与镍相分布的优化规律，开发出热应力降低21%的梯度化阳极结构。该研究为高耐久性SOFC设计提供了理论依据和工程指导，对推进清洁能源技术产业化具有重要意义。

　　

随着全球能源结构转型加速，固体氧化物燃料电池(SOFC)因其高效率、低排放的特点成为能源领域的研究热点。然而，作为核心部件的Ni-YSZ阳极在反复氧化还原(RedOx)循环中面临严峻的热机械失效挑战——温度骤变导致的巨大热应力会使阳极产生裂纹甚至整体坍塌，这个"心脏骤停"问题严重制约着SOFC的商业化进程。传统研究多聚焦单一因素优化，但实际工况中孔隙率与镍含量的协同效应如同"阴阳平衡"，尚未得到系统阐释。

为破解这一难题，来自巴基斯坦工程技术大学的研究团队在《Results in Engineering》发表了创新性研究。该工作采用多物理场耦合模拟与可控烧结实验相结合的方法，通过建立孔隙-镍相三维重构模型，首次量化了梯度化结构对热应力的调控机制。研究团队还创新性地开发了基于声发射技术的原位应力监测系统，实现了RedOx过程中微裂纹萌生的实时捕捉。

关键技术方法包括：1) 采用CT扫描结合深度学习算法构建多孔阳极三维重构模型；2) 通过有限元分析计算不同孔隙-镍相分布下的热应力场；3) 设计梯度烧结工艺制备系列实验样品；4) 利用原位XRD和声发射技术表征RedOx过程中的相变与应力演化。

孔隙率梯度对热应力的影响

通过建立孔隙率从20%到40%的梯度分布模型，发现阶梯式梯度结构可使热应力峰值降低34%。与传统均匀结构相比，梯度结构通过逐层耗散应变能，有效抑制了界面裂纹的扩展。

镍含量优化的协同效应

当镍含量从40vol%增至60vol%时，阳极导电性提升但热膨胀系数(CTE)失配加剧。研究表明50vol%镍含量与30%孔隙率的组合具有最佳综合性能，RedOx循环寿命延长3倍。

微结构演化的原位观测

声发射信号分析揭示了热应力累积的三个特征阶段：镍相烧结致密化（<800°C）、氧化膨胀（800-1000°C）和还原收缩（>1000°C），为优化热循环工艺提供了直接依据。

讨论与展望

该研究建立了孔隙率-镍含量-热应力的定量关系模型，提出的"高镍承流层+多孔缓冲层"梯度设计准则已成功应用于5kW级SOFC电堆开发。值得注意的是，在800°C工作温度下，优化后的阳极结构使电池性能衰减率从1.5%/cycle降至0.3%/cycle。研究还发现镍相的三维连通性对长期稳定性具有决定性影响，这为下一代阳极材料的智能设计指明了方向。

这项工作突破了传统"试错法"的局限，建立了从微观结构设计到宏观性能预测的全链条研究方法。特别是提出的梯度化结构准则，不仅适用于SOFC阳极，对锂电负极、催化载体等多孔材料的热机械优化同样具有借鉴意义。未来研究可进一步探索稀土元素掺杂对镍烧结行为的调控机制，以及人工智能辅助的微结构逆向设计方法。