10 月 1 日，深圳大學(xué)謝和平院士團(tuán)隊在《Nature Communications》發(fā)表題為 「Interfacial oxide wedging for mechanical-robust electrode in high-temperature ceramic cells」的突破性研究成果（Nature Communications 16, 8715 (2025)）。該研究針對高溫固體氧化物燃料電池空氣電極內(nèi)部力學(xué)破壞失效難題，創(chuàng)新提出「界面氧化物楔合」的全新策略，成功實現(xiàn)電極力學(xué)穩(wěn)定性與電化學(xué)性能的協(xié)同提升。
高溫固體氧化物燃料電池因高能量轉(zhuǎn)換效率、寬燃料適應(yīng)性（可利用氫、甲烷、氨以及煤炭進(jìn)行直接發(fā)電轉(zhuǎn)化）及低排放特性，被視為未來清潔能源領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。然而，其空氣電極（多為鈷基鈣鈦礦材料）與電解質(zhì)間的熱膨脹系數(shù)不匹配（相差可達(dá)100%），因此在運(yùn)行過程中往往產(chǎn)生極大的熱應(yīng)力，引發(fā)電極剝離、破碎等力學(xué)失效，長期以來是制約壽命的關(guān)鍵瓶頸。
團(tuán)隊創(chuàng)新提出「界面氧化物楔合」的新策略，即通過採用高於常規(guī)電極燒結(jié)溫度（1100攝氏度，而傳統(tǒng)電極燒結(jié)溫度約800-1000攝氏度）的反應(yīng)燒結(jié)條件來製備新電極，誘導(dǎo)負(fù)膨脹材料與鈣鈦礦電極發(fā)生原位反應(yīng)，在兩者界面生成具有「過渡緩衝」作用的新型界面氧化物相，如同在顆粒間隙打入「力學(xué)楔子」，在顆粒尺度上抑制電極內(nèi)部裂紋的萌生與擴(kuò)展。利用該策略，團(tuán)隊成功開發(fā)了新型電極，同時成功在他們的顆粒界面生成關(guān)鍵楔合相（Co3O4、Fe3O4、BaHfO3以及 Sr3WO6），這些新生成的楔合氧化物具有「中間熱膨脹系數(shù)特性」—其熱膨脹系數(shù)介於負(fù)膨脹相與正膨脹相之間，可梯度緩衝顆粒間熱應(yīng)力。
為驗證這一巧妙設(shè)計，團(tuán)隊緊接著開展實驗測試其力學(xué)強(qiáng)化效果，發(fā)現(xiàn)與原始電極相比，優(yōu)化後的新型電極彈性模量提升102%，硬度提升 138%，斷裂韌性達(dá)到原始材料的 2.3 倍，電極-電解質(zhì)界面的馮?米塞斯應(yīng)力也降低了 22.6%，徹底解決體相開裂問題！因此，電極變現(xiàn)出優(yōu)異的長期穩(wěn)定性，其在 550℃下持續(xù)運(yùn)行 600 小時，電阻僅增長 3.7%；即使在室溫空氣中暴露 2 年，重新升溫至工作溫度後，性能仍可恢復(fù)並穩(wěn)定運(yùn)行 長達(dá)300 小時，展現(xiàn)出極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。
該研究首次從顆粒界面力學(xué)調(diào)控視角出發(fā)，通過高溫原位反應(yīng)構(gòu)建「應(yīng)力緩衝-活性增強(qiáng)」一體化界面，不僅為高溫固體氧化物燃料電池電極力學(xué)強(qiáng)化設(shè)計提供新範(fàn)式，亦可推廣至催化、高溫傳感器、熱電轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域，為解決多相複合材料的力學(xué)難題提供普適性思路。（記者 林麗青）
頂圖：全新「界面氧化物楔合」的新策略
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