【海川化工科技前沿】深圳大学谢和平院士团队针对高温固体氧化物燃料电池空气电极内部力学破坏失效难题取得成果

海川老鱼 · 发表于 2025-10-2 13:34:15

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2025 年 10 月 1 日，深圳大学谢和平院士团队在《Nature Communications》发表题为 “Interfacial o*de wedging for mechanical-robust electrode in high-temperature ceramic cells”的突破性研究成果（Nature Communications 16, 8715 (2025)）。该研究针对高温固体氧化物燃料电池空气电极内部力学破坏失效难题，创新提出“界面氧化物楔合”的全新策略，成功实现电极力学稳定性与电化学性能的协同提升。

高温固体氧化物燃料电池因高能量转换效率、宽燃料适应性（可利用氢、甲烷、氨以及煤炭进行直接发电转化）及低排放特性，被视为未来清洁能源领域的核心技术之一。然而，其空气电极（多为钴基钙钛矿材料）与电解质间的热膨胀系数不匹配（相差可达100%！），因此在运行过程中往往产生极大的热应力，引发电极剥离、破碎等力学失效，长期以来是制约寿命的关键瓶颈。此前，团队成员曾提出“负膨胀材料复合”（Nature，2021）与“水合负膨胀强化”（Nature Commnunications，2025）两种方法来破解这一难题，也就是用“热缩冷胀”的新型负膨胀材料来复合传统的正膨胀电极，正负相抵，实现电极热膨胀系数的有效调控！然而，新的问题随之出现：负膨胀材料与正膨胀钙钛矿颗粒间存在显著的力学行为差异，在体相中反而产生更为剧烈的颗粒间应力，引发电极体相开裂、粉化，最终导致电池衰减。

为解决这一颗粒尺度的应力集中难题，团队创新提出“界面氧化物楔合”的新策略，即通过采用高于常规电极烧结温度（1100摄氏度 vs. 传统 800-1000摄氏度）的反应烧结条件来制备新电极，诱导负膨胀材料与钙钛矿电极发生原位反应，在两者界面生成具有“过渡缓冲”作用的新型界面氧化物相，如同在颗粒间隙打入“力学楔子”，在颗粒尺度上抑制电极内部裂纹的萌生与扩展。利用该策略，团队成功开发了新型电极
HfW2O8-Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ，其中HfW2O8为负膨胀相，而Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ为正膨胀相，同时成功在他们的颗粒界面生成关键楔合相（Co3O4、Fe3O4、BaHfO3以及 Sr3WO6），这些新生成的楔合氧化物具有“中间热膨胀系数特性”—其热膨胀系数介于负膨胀相与正膨胀相之间，可梯度缓冲颗粒间热应力！

为验证这一巧妙设计，团队紧接着开展实验测试其力学强化效果，发现与原始电极相比，优化后的新型电极弹性模量提升102%，硬度提升 138%，断裂韧性达到原始材料的 2.3 倍，电极-电解质界面的冯・米塞斯应力也降低了 22.6%，彻底解决体相开裂问题！因此，电极变现出优异的长期稳定性，其在 550℃下持续运行 600 小时，电阻仅增长 3.7%；即使在室温空气中暴露 2 年，重新升温至工作温度后，性能仍可恢复并稳定运行长达300 小时，展现出极强的环境适应性。

该研究首次从颗粒界面力学调控视角出发，通过高温原位反应构建“应力缓冲-活性增强”一体化界面，不仅为高温固体氧化物燃料电池电极力学强化设计提供新范式，亦可推广至催化、高温传感器、热电转换等领域，为解决多相复合材料的力学难题提供普适性思路。

海川老鱼 · 发表于 2025-10-2 13:34:40