固體氧化物電池(SOC)是效率最高的電化學能量轉換技術之一，在可逆模式(R-SOC)運行時能夠高效發電(SOFC模式)，或將可再生電力轉化為化學品儲存(SOEC模式)，實現電能與化學能之間的高效靈活轉換。SOC單電池是典型的多層薄膜陶瓷器件，由氧電極、電解質和氫電極等組成，目前應用較廣的是以YSZ(Y2O3穩定ZrO2)為電解質的Ni-YSZ氫電極支撐單電池，因其實現了電解質薄膜化，在700–800°C中溫區間具有較高的性能輸出，但面臨氧電極/電解質界面元素擴散、氧電極剝離、氫電極中Ni金屬團聚等化學兼容性和結構穩定性問題。因此，大量文獻報道中的研究工作圍繞新型材料體系開發、制備工藝及運行方法優化等方面開展。

在諸多氫電極支撐固體氧化物電池的文獻報道中，均存在R-SOC電化學性能不對稱現象，即在相同偏壓(相比于開路電壓)數值下，SOFC發電和SOEC電解電流密度不一致的現象，通常為發電性能優于電解性能，但該不對稱現象并未得到深入研究。Ebbesen等認為，SOFC發電模式中的放熱反應和SOEC電解中的吸熱反應導致的溫差是產生R-SOC電化學性能不對稱的因素之一。

Kishimoto等通過實驗研究并結合模擬計算發現，在j–V曲線的活化與濃差極化區都表現出不對稱行為，活化區的不對稱性主要是電荷轉移系數不等引起的，濃差極化區的不對稱性則與克努森擴散效應引起的氫氣和水蒸汽的非等摩爾反向擴散有關；因此認為R-SOC電化學不對稱現象主要與氫電極微觀結構有關，并提出優化氫電極孔隙率和孔徑可以增強氣體擴散、減弱不對稱性。而在關于電解質支撐固體氧化物電池的相關報道中8,9，R-SOC的電化學性能呈現出良好的對稱性，這進一步說明R-SOC的不對稱現象主要由氫電極擴散阻抗引起。

在SOC單電池中，隔離層不僅需要阻擋氧電極和電解質之間的化學反應，還應具有較高的氧離子電導率和較強的界面結合能力。研究表明，通過優化隔離層可顯著提升SOC性能和穩定性，比如采用多種方法提高隔離層致密度，從而減小電解質歐姆阻抗、阻擋氧電極Sr等元素的遷移擴散。但是上述研究主要關注于電解質、隔離層和陰極之間的化學反應、元素擴散、界面雜相等方面，缺乏隔離層對R-SOC電化學不對稱性影響的研究。在前期工作中，我們提出了一種水熱原位生長制備致密薄膜GDC(Gd2O3摻雜CeO2)隔離層的方法，同時降低了單電池歐姆阻抗和極化阻抗，實現了SOFC模式下的高性能穩定運行。相比于物理氣相沉積、脈沖激光沉積、磁控濺射等多種先進鍍膜技術，水熱原位生長技術的成本低、能耗小、放大均一性高，具有非常好的應用前景。

基于此，本文基于兩種孔隙率不同的Ni-YSZ氫電極支撐單電池，系統研究并對比了絲網印刷制備的多孔GDC隔離層和水熱原位生長的致密薄膜隔離層對SOC性能的影響，探究了R-SOC電化學不對稱性的影響機理及其調控方法。

1、實驗

1.1單電池制備

本文制備了四種Ni-YSZ氫電極支撐單電池。

其中，小孔氫電極支撐半電池來自徐州華清京昆能源有限公司，于1320°C燒結后YSZ電解質厚度物理化學學報Acta Phys.-Chim.Sin.2025,41(1),100005(3 of 7)約為13μm；大孔氫電極支撐半電池為實驗室共流延-共燒結制備，制備方法與前期文獻20報道類似。具體地，陽極支撐體中加入了10%(wt.)球形石墨和淀粉(質量比1:1)作為造孔劑，半電池共燒結溫度為1320°C，燒結后YSZ電解質厚度約為16μm。