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38 2 Grundlagen
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auf einer Seite versiegelt. Sauerstoff kann also nicht, wie beim reinen Substrat, durch die
Probe permiieren sondern nur über Diffusion in die Substrat- bzw. Anodenstruktur gelangen.
Damit ist zu erwarten, dass der Sauerstofftransport in die Substratstruktur den Versuchsablauf
wesentlich beeinflusst. Es kommt zu Inhomogenitäten in der Reoxidation der Probe. Die Ergebnisse
von Versuchen an reinen Substraten und Halbzellen sind demnach von unterschiedlichen
Prozessen bestimmt und damit nur bedingt vergleichbar. Außerdem liefern Versuche
an Halbzellen im Gegensatz zu jenen an reinen Substraten zusätzliche Informationen über das
Verhalten des gesamten Zellverbundes bei Reoxidation. Die Reoxidation und die damit verbundenen
Veränderungen in der Mikrostruktur von Anode und Substrat können zu mechanischer
Degradation in Substrat und Anode (z. B. durch Unterbrechung von Leitungspfaden)
und somit zu Leistungseinbußen der Zelle führen, ziehen jedoch nicht notwendigerweise den
vollständigen Ausfall der Zelle nach sich. Jedoch können Veränderungen in Substrat und Anode
auch Schädigungen in anderen Zellkomponenten, wie z. B. dem Elektrolyten, hervorrufen.
Entstehen im Elektrolyten etwa Risse, führen diese langfristig zwangsläufig zum Versagen
der Zelle. Dieser Schädigungsmechanismus kann nur anhand von Versuchen an ganzen
Zellen bzw. Halbzellen untersucht werden. Der Elektrolyt wie auch alle anderen Komponenten
der Zelle können der Ausdehnung von Substrat und Anode bei Reoxidation nicht folgen.
Es entstehen Spannungen im Zellverbund die sich zunächst in einer Verbiegung der Zelle zeigen.
Übersteigen die Spannungen jedoch die Festigkeit einer Zellkomponente, kommt es zur
Rissbildung. Dies geschieht vornehmlich im Elektrolyten [113-115,169,173,177,179-182].
Spannungen, Verbiegung und Rissbildung hängen stark von der Homogenität der Oxidation
und dem Grad der Oxidation ab [113-115,169,180,182]. Homogenität und Oxidationsgrad
sind ihrerseits wiederum stark abhängig von den Oxidationsbedingungen, wie z. B. Temperatur
und Oxidationszeit [180]. Malzbender et al. haben den Verlauf der Verbiegung der Zelle
während der Redox-Zyklierung beobachtet. Sie fanden eine inhomogene Reoxidation bei
800°C in Luft, die zu einer komplizierten Spannungsverteilung in der Zelle und schließlich
zum Bruch des Elektrolyten führten. Die Reoxidation sorgte zunächst für die erwartete Verbiegung
der Zelle in Richtung des Elektrolyten. Nach einiger Zeit jedoch kehrte sich die Richtung
der Biegung um, was durch lokale Veränderungen des Elastizitätsmoduls des Substrats
mit Fortschreiten der Reoxidation erklärt wurde [115]. Nach der Sinterung befinden sich aufgrund
der Unterschiede im thermischen Ausdehnungskoeffizienten das Substrat unter Zugspannungen
und der Elektrolyt unter Druckspannungen [183]. Dies führt zu einer Verbiegung
der Zelle. Da Relaxation und Kriechprozesse keine Rolle spielen, bleiben diese Eigenspannungen
bei der Reduktion in der Zelle erhalten. Diese führt zu einer Verringerung der Festigkeit
des Substrats, wodurch sich die Zelle noch stärker verbiegt. Durch wiederholte Redox-
Zyklierung nimmt die Verbiegung im reduzierten Zustand noch weiter zu. Dieses Verhalten
wird durch ein Modell von Malzbender et al. erklärt [115]. Es wird angenommen, dass durch
die Redox-Zyklierung Mikrorisse im Substrat entstehen und dadurch die Festigkeit des Substrats
weiter reduziert wird. Gerät der Elektrolyt unter Zugspannungen und übersteigen diese
seine Festigkeit, so kommt es zur Rissbildung. Die Entstehung sowohl von Mikrorissen im
Substrat, als auch von Rissen im Elektrolyten infolge der Redox-Zyklierung konnten in Untersuchungen
mittels Rasterelektronenmikroskopie beobachtet werden (vgl. Abb. 2.16)
[116,115,141,184].
Die im ursprünglichen Zustand noch dichten NiO-Partikel (Abb. 2.16 (a)) schrumpfen durch
die Reduktion zu Nickel und erhöhen die Porosität des Substrats (Abb. 2.16 (b)). Nach der