Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio (Jan 2022)
Laser processing of ceramic materials for electrochemical and high temperature energy applications
Abstract
The laser is a powerful tool for materials processing, incorporated already in many industrial processes and laboratory procedures. In this work, we are concerned with laser processing applied to research and development of ceramics for electrochemical cells and other high temperature oxide ceramics for energy applications. Solidification of single crystals or composites of relevant oxides can be performed by the laser assisted floating zone method, providing samples for structural, mechanical or functional fundamental research, as well as knowledge about its manufacture by melt processes. Selective laser melting of these ceramic oxides is a very promising technology, at the research level. Successful examples of surface laser melting of oxide eutectic composites are presented. The technologies of subtractive laser processing of ceramics (cutting, drilling, structuring, cleaning, etc.) are more developed, and the research is directed towards the optimization of mechanisms, increase of resolution and efficiency and the investigation of the effects of the laser treatment on the functional performance. Different laser processes of SOC (solid oxide cell) components are shown to decrease the ohmic, concentration and activation losses. The manuscript describes the state-of-the art of the technologies as applied to oxide and composite materials present in solid oxide electrochemical devices (SOFC, SOEC, and batteries) and selective emitters for thermophotovoltaics, with emphasis on the last achievements by the authors team. Resumen: El láser es una potente herramienta para el procesamiento de materiales, incorporada ya en muchos procesos industriales y procedimientos de laboratorio. En este trabajo nos ocupamos del procesamiento láser aplicado a la investigación y desarrollo de cerámicas para celdas electroquímicas y otras cerámicas de óxido de alta temperatura para aplicaciones energéticas. La solidificación de monocristales o composites de óxidos relevantes se puede realizar mediante el método de zona flotante asistida por láser, proporcionando muestras para investigación básica estructural, de propiedades mecánicas o funcionales, así como conocimiento sobre su fabricación mediante procesos de fusión. La fusión selectiva por láser de estos óxidos cerámicos es una tecnología muy prometedora, cuyo desarrollo es todavía incipiente. Se presentan ejemplos exitosos de fusión por láser de superficie de compuestos eutécticos de óxidos. Las tecnologías sustractivas de procesamiento de cerámicas con láser (corte, taladrado, estructuración, limpieza, etc.) están más desarrolladas, y la investigación se dirige hacia la optimización de procedimientos, aumento de resolución y eficiencia y la investigación de los efectos del tratamiento láser sobre el rendimiento funcional. Diferentes procesos láser de los componentes de celda de óxido sólido disminuyen las pérdidas óhmicas, de concentración y de activación. El manuscrito describe el estado actual de las tecnologías aplicadas a óxidos y materiales compuestos presentes en dispositivos electroquímicos de óxidos sólidos (SOFC, SOEC y baterías) y emisores selectivos para aplicaciones termofotovoltaicas, con énfasis en los últimos logros del equipo.
