一、研究背景

固体氧化物燃料电池（SOFCs）是一种高温电化学装置，可将燃料的化学能直接转化为电能，转换效率很高。sofc可以利用各种燃料，包括氢和碳氢化合物，为住宅、工业或运输应用提供电能。SOFC由多孔阴极、致密电解质层和多孔阳极组成。这两个多孔电极提供了气体传输路径、电化学反应活性位点以及反应所需的离子和电子路径。SOFC的工作原理如图S1中补充材料所示。

由于其高温工作环境和多种材料界面，sofc面临着材料导电性、界面电阻、热机械稳定性、连接和密封、性能下降和材料成本等挑战。提高工作温度可以提高电池的电化学性能，但可能会降低电池的耐久性。相反，降低工作温度可以提高材料成本和耐用性，但可能会降低电解质的离子电导率并增加界面电阻。这些相互约束的条件使得sofc的性能增强成为一个复杂的过程，需要平衡各种权衡。

在sofc的实际应用中，目标性能通常是在单个电池输出电压为0.7 V时，功率密度超过0.5 W cm−2；相应地，电池的最大功率密度（MPD）应达到1 W cm−2。十多年前，由于采用阳极功能层和手指状孔隙阳极结构，改善了气体输运，sofc的MPD超过了1 W cm−2。最近，电极制备技术的进步，主要是通过增强阴极的微观结构和性能，显著提高了sofc的MPD和耐用性。用（La0.6Sr0.4）0.98CoO3和（Gd0.2Ce0.8）合金共溅射制备阴极，在600℃和650℃下mpd分别为2.56和3.01 W cm−2。将La0.6Sr0.4CoO3−δ (LSC)浸渍在激光烧结的Ce0.9Gd0.1O2−δ (GDC)框架中制备复合阴极，在750℃下得到MPD为2.24 W cm−2的SOFC，在50 h内性能没有下降。

SOFC阴极与电解质之间的热膨胀系数（TEC）失配问题引起了人们的广泛关注。在SrNb0.1Co0.9O3-δ (SNC)阴极中加入20%的负热膨胀材料Sm0.85Zn0.15MnO3 (SZM)，得到的SNC-SZM复合阴极具有与电解质GDC相匹配的良好热膨胀性能。在700°C时，阴极极化电阻（Rp）为0.012 Ω cm2，单电池的MPD为1.22 W cm−2，在0.8 a cm−2下稳定工作120 h。

此外，利用静电纺丝设备制备纤维阴极，或通过浸渍方法在阴极框架上引入更多的纳米活性位点可以进一步提高电极的性能。特别值得注意的是，与使用传统方法制备的传统粉末阴极相比，使用复合纤维阴极的sofc在电池性能耐久性方面有了显著提高。这对sofc的商业应用至关重要。PrO2修饰的Pr0.4Sr0.6Co0.2Fe0.7Ni0.1O3-δ阴极在800℃时极化电阻降低了0.016 Ω cm2，对应的MPD为1.19 W cm−2。

复合纤维阴极的采用不仅解决了TEC失配问题，还提供了更大的三相边界（TPB），从而促进氧还原反应（ORR）动力学并增强质量传递，最终实现更高的功率密度和更好的长期稳定性。这些方法的成功强调了先进电极制备技术在提高sofc性能和耐久性方面的潜力，为其在各种应用中的广泛采用铺平了道路。

二、摘要

近年来，由于静电纺丝等工艺对材料性能的改善和电极微观结构的优化，固体氧化物燃料电池（SOFCs）在中等工作温度范围内的最大功率密度（MPD）已提高到2 - 3 W cm−2，并在300-500 h的长期测试中表现出稳定的性能。静电纺丝有利于制备高孔隙率的SOFCs纤维电极。三相界密度高，电化学活性高。当与浸渍工艺相结合时，它可以进一步创造独特的电极结构，提高电池的输出功率和耐久性。然而，通过静电纺丝生产纤维电极受到生产效率和随后的电极制备工艺（如煅烧、研磨和烧结）的限制。这些过程很容易导致连续纤维形态的破坏，对静电纺丝提出了挑战。本文对静电纺丝的关键工艺参数、提高制备效率、保持纤维的连续形态以及SOFCs纤维电极性能的最新进展进行了全面的讨论。如何保持电极内部的连续纤维形态一直是研究的热点。探讨了纤维电极的孔隙率和耐久性。

三、结论

静电纺丝技术在制备固体氧化物燃料电池（SOFCs）高性能多孔电极中具有重要意义。本文综述了静电纺丝制备多孔材料的基本知识，分析了关键纺丝参数对纤维性能的影响，重点介绍了静电纺丝制备SOFC电极材料面临的挑战，包括提高生产效率和避免对纤维结构形态的破坏。总结了近年来SOFC光纤阴极和阳极的重要文献数据，涵盖了电极孔隙率和电池长期性能等主题。

根据文献综述，在过去的十年中，静电纺丝提高了SOFC电极材料，特别是正极材料的性能，有助于在中温范围内将电池的最大输出功率提高到1-3 W cm−2。此外，电池的耐久性得到了显著提高，性能退化率明显低于采用传统工艺制备的粉末电极sofc。通过静电纺丝与浸渍法的结合，可以进一步修饰纤维电极的表面，提供更多的三相边界反应活性位点，从而进一步提高电池的输出功率和耐久性。这些结果证明了静电纺丝在制备SOFC多孔电极中的重要价值。另一方面，近年来关于静电纺丝的研究已经开始关注如何在制备过程中避免纤维电极断裂成短纤维或颗粒的问题，并取得了一些创新进展。

图1.用空心纳米纤维阴极制备阳极支撑电池的方法：(a)静电纺丝装置示意图；(b) PBSC中空纤维的典型透射电镜图像（纤维中间的亮区为空心样结构）；(c)用粘结剂（PVB）对纤维网状填充煅烧纤维进行塑化；以及(d)由阳极功能层、阳极支撑层、GDC电解质膜、SDC键合层和空心纳米纤维阴极组成的单个电池的示意图截面图。

图2.(a)采用NiO-BCZY AFL、BCZY电解质层、BCZY- lscf阴极夹层、NiO-LSCF阴极层制备阳极支撑纽扣电池的工艺流程。(b)静电纺丝法制备nio修饰的LSCF纳米纤维三维网格。