2025年4月3日，深圳大學(xué)土木工程與交通工程學(xué)院特聘教授謝和平院士及其團(tuán)隊(duì)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(duì)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(shù)難題，首次以“力學(xué)-電化學(xué)”交叉融合構(gòu)建出一種“水合誘導(dǎo)化學(xué)膨脹補(bǔ)償”全新策略，顯著提升了電極彈性模量及斷裂強(qiáng)度，成功攻克了現(xiàn)有高溫燃料電池的穩(wěn)定性技術(shù)瓶頸。該成果是團(tuán)隊(duì)在力學(xué)與電化學(xué)交叉研究領(lǐng)域取得的首個(gè)突破性成果。團(tuán)隊(duì)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(xué)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(zhuǎn)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(jìn)行電化學(xué)轉(zhuǎn)化，因此備受全球關(guān)注。但其大規(guī)模商業(yè)化仍受限，尤其是在熱循環(huán)過(guò)程中的穩(wěn)定性不足，已成進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸！長(zhǎng)期以來(lái)，提升高溫燃料電池?zé)嵫h(huán)穩(wěn)定性的研究主要集中在緩解電極與電解質(zhì)之間的界面剝離問(wèn)題。早在2021年，團(tuán)隊(duì)成員就已提出“負(fù)膨脹材料復(fù)合”策略來(lái)解決界面剝離難題（Nature,591(2021),246-251），但在后續(xù)研發(fā)中，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，電極內(nèi)部的體相斷裂導(dǎo)致燃料電池力學(xué)失效可能是更加關(guān)鍵的一個(gè)因素（如圖1），尤其是在高溫?zé)嵫h(huán)過(guò)程中，復(fù)雜變化的熱應(yīng)力作用下，多孔電極內(nèi)部的裂紋生成和擴(kuò)展可能先于界面剝離而發(fā)生，從而逐漸降低電極整體結(jié)構(gòu)完整性，引發(fā)性能衰減。由此，團(tuán)隊(duì)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(xué)與強(qiáng)度理論領(lǐng)域深厚研究積累，自主搭建了全球首個(gè)FIB-SEM-Nanoindenter-Raman四聯(lián)用微納力學(xué)研究平臺(tái)（如圖2），對(duì)高溫環(huán)境下SOFC電極體相斷裂演化過(guò)程展開(kāi)了系統(tǒng)而深入的觀測(cè)研究。

圖1. 電極內(nèi)部體相斷裂示意圖

圖2. 團(tuán)隊(duì)建立的FIB-SEM-Nanoindenter-Raman 四聯(lián)用微納力學(xué)研究平臺(tái)

創(chuàng)新策略：水合誘導(dǎo)化學(xué)膨脹補(bǔ)償

在對(duì)比不同電極材料高溫?cái)嗔褟?qiáng)度的測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)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(xué)吸水能力）與其斷裂強(qiáng)度的差別存在著高度相關(guān)性（如圖3），這一發(fā)現(xiàn)使團(tuán)隊(duì)倍感振奮，隨后團(tuán)隊(duì)從深部巖石水巖相互作用強(qiáng)度理論中（《巖石、混凝土損傷力學(xué)》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(guān)系，首次以“力學(xué)-電化學(xué)”交叉融合構(gòu)建出一種“水合誘導(dǎo)化學(xué)膨脹補(bǔ)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(yīng)，引發(fā)足夠的化學(xué)膨脹，來(lái)抵消電極冷卻過(guò)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(qiáng)度?；谠撊虏呗?，團(tuán)隊(duì)對(duì)一系列經(jīng)典電極材料開(kāi)展了水合誘導(dǎo)強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)，并利用原位微納力學(xué)平臺(tái)詳細(xì)評(píng)估水合強(qiáng)化之后電極的彈性模量、表面硬度、斷裂強(qiáng)度、Pugh指數(shù)等關(guān)鍵力學(xué)性能。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：斷裂強(qiáng)度提升86%，熱循環(huán)無(wú)降解

水合誘導(dǎo)強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該策略能夠有效強(qiáng)化電極材料的斷裂強(qiáng)度、模量等關(guān)鍵力學(xué)性能，且具有極好普適性（見(jiàn)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(qiáng)化后的電極（命名為s-BCC-Y）機(jī)械力學(xué)性能大幅增強(qiáng)，斷裂強(qiáng)度提升了86%，達(dá)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(wú)明顯電化學(xué)性能損失和材料降解，仍保持穩(wěn)定。

圖3. 電極水合誘導(dǎo)化學(xué)膨脹補(bǔ)償后的力學(xué)及電化學(xué)性能強(qiáng)化效果

推動(dòng)學(xué)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(xué)強(qiáng)化的視角出發(fā)，通過(guò)力學(xué)與電化學(xué)的深度交叉研究，成功提出了一種通過(guò)化學(xué)水合調(diào)控力學(xué)性質(zhì)的新策略，不僅有助于提升固體氧化物燃料電池、質(zhì)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(xué)耐久性，還為電池、催化、高溫電化學(xué)能源轉(zhuǎn)換器件等領(lǐng)域的材料力學(xué)優(yōu)化提供了嶄新思路，為清潔能源技術(shù)的突破和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供助力。

據(jù)悉，深大謝和平院士團(tuán)隊(duì)近七年來(lái)聚焦深地科學(xué)與綠色能源領(lǐng)域的前沿探索與硬核技術(shù)攻關(guān)，特別在無(wú)淡化海水直接制氫、中低溫地?zé)岚l(fā)電、近零碳排放直接煤燃料電池發(fā)電與CCUS等領(lǐng)域，均提出了顛覆性原理與技術(shù)構(gòu)想，形成了一系列的新理論、新方法、新技術(shù)。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(guān)領(lǐng)域均處于國(guó)際領(lǐng)先地位，其中部分成果已開(kāi)展中試、并即將進(jìn)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(tuán)隊(duì)）