2025年4月3日，深圳大學土木工程與交通工程學院特聘教授謝和平院士及其團隊在《自然·通訊》雜志上發(fā)表題為“Hydration-induced stiffness enabling robust thermal cycling of high temperature fuel cells cathode”的研究論文(Nature Communications16, 3154 (2025))。該文針對高溫燃料電池電極易體相斷裂失效、熱循環(huán)穩(wěn)定不足的技術難題，首次以“力學-電化學”交叉融合構建出一種“水合誘導化學膨脹補償”全新策略，顯著提升了電極彈性模量及斷裂強度，成功攻克了現(xiàn)有高溫燃料電池的穩(wěn)定性技術瓶頸。該成果是團隊在力學與電化學交叉研究領域取得的首個突破性成果。團隊碩士研究生楊洪鑫為論文第一作者，謝和平院士為主要通訊作者，深圳大學為第一完成單位。
突破傳統(tǒng)視角，從界面剝離到體相斷裂
高溫燃料電池（Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs）具有極高的能量轉換效率和廣泛的燃料適用性，可直接利用氫、甲烷、氨甚至煤炭等進行電化學轉化，因此備受全球關注。但其大規(guī)模商業(yè)化仍受限，尤其是在熱循環(huán)過程中的穩(wěn)定性不足，已成進一步發(fā)展的關鍵瓶頸！長期以來，提升高溫燃料電池熱循環(huán)穩(wěn)定性的研究主要集中在緩解電極與電解質之間的界面剝離問題。早在2021年，團隊成員就已提出“負膨脹材料復合”策略來解決界面剝離難題（Nature,591(2021),246-251），但在后續(xù)研發(fā)中，團隊發(fā)現(xiàn)，電極內(nèi)部的體相斷裂導致燃料電池力學失效可能是更加關鍵的一個因素（如圖1），尤其是在高溫熱循環(huán)過程中，復雜變化的熱應力作用下，多孔電極內(nèi)部的裂紋生成和擴展可能先于界面剝離而發(fā)生，從而逐漸降低電極整體結構完整性，引發(fā)性能衰減。由此，團隊突破傳統(tǒng)視角，從電極內(nèi)部體相斷裂入手，憑借在斷裂力學與強度理論領域深厚研究積累，自主搭建了全球首個FIB-SEM-Nanoindenter-Raman四聯(lián)用微納力學研究平臺（如圖2），對高溫環(huán)境下SOFC電極體相斷裂演化過程展開了系統(tǒng)而深入的觀測研究。
圖1. 電極內(nèi)部體相斷裂示意圖
圖2. 團隊建立的FIB-SEM-Nanoindenter-Raman 四聯(lián)用微納力學研究平臺
創(chuàng)新策略：水合誘導化學膨脹補償
在對比不同電極材料高溫斷裂強度的測試實驗中，團隊驚喜地發(fā)現(xiàn)，電極的水合能力差別（即高溫下材料的化學吸水能力）與其斷裂強度的差別存在著高度相關性（如圖3），這一發(fā)現(xiàn)使團隊倍感振奮，隨后團隊從深部巖石水巖相互作用強度理論中（《巖石、混凝土損傷力學》1991，謝和平著）獲取靈感，從而深入探索材料壽命與斷裂韌度和溫度的關系，首次以“力學-電化學”交叉融合構建出一種“水合誘導化學膨脹補償”的全新策略，即利用本征脆性的電極材料在高溫下（約600°C）的水合反應，引發(fā)足夠的化學膨脹，來抵消電極冷卻過程中的熱收縮，彌合電極顆粒之間的裂紋，優(yōu)化顆粒間接觸，以期提高電極的整體模量和斷裂強度。基于該全新策略，團隊對一系列經(jīng)典電極材料開展了水合誘導強化實驗，并利用原位微納力學平臺詳細評估水合強化之后電極的彈性模量、表面硬度、斷裂強度、Pugh指數(shù)等關鍵力學性能。
實驗驗證：斷裂強度提升86%，熱循環(huán)無降解
水合誘導強化實驗結果表明：該策略能夠有效強化電極材料的斷裂強度、模量等關鍵力學性能，且具有極好普適性（見圖3）！以經(jīng)典的空氣電極材料體系Ba(Ce,Co)O3為例，相比未改性電極材料，水合強化后的電極（命名為s-BCC-Y）機械力學性能大幅增強，斷裂強度提升了86%，達129.4 MPa，在600至300攝氏度之間劇烈熱循環(huán)35次后，s-BCC-Y無明顯電化學性能損失和材料降解，仍保持穩(wěn)定。
圖3. 電極水合誘導化學膨脹補償后的力學及電化學性能強化效果
推動學科交叉融合研究，助力高性能燃料電池發(fā)展
該研究首次從電極體相斷裂力學強化的視角出發(fā)，通過力學與電化學的深度交叉研究，成功提出了一種通過化學水合調(diào)控力學性質的新策略，不僅有助于提升固體氧化物燃料電池、質子陶瓷燃料電池、直接煤燃料電池等一系列燃料電池的力學耐久性，還為電池、催化、高溫電化學能源轉換器件等領域的材料力學優(yōu)化提供了嶄新思路，為清潔能源技術的突破和產(chǎn)業(yè)化應用提供助力。
據(jù)悉，深大謝和平院士團隊近七年來聚焦深地科學與綠色能源領域的前沿探索與硬核技術攻關，特別在無淡化海水直接制氫、中低溫地熱發(fā)電、近零碳排放直接煤燃料電池發(fā)電與CCUS等領域，均提出了顛覆性原理與技術構想，形成了一系列的新理論、新方法、新技術。研究成果已發(fā)表在Nature正刊（2篇）：Nature591, 246-251(2021)、Nature612, 673-678 (2022)，以及Nature子刊（5篇）：Nat Energy7, 866-875 (2022)、Nat Commun15, 5305 (2024)、Nat Commun15, 8874 (2024)、Nat Commun15, 10920 (2024)、Nat Commun16,3154 (2025)，在相關領域均處于國際領先地位，其中部分成果已開展中試、并即將進行工程示范及產(chǎn)業(yè)化。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-57611-1
（供稿 謝和平院士團隊）
