2025年10月1日，深圳大學(xué)謝和平院士團(tuán)隊(duì)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(duì)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(shí)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(lái)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(guò)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(zhǎng)期以來(lái)是制約壽命的關(guān)鍵瓶頸。此前，團(tuán)隊(duì)成員曾提出“負(fù)膨脹材料復(fù)合”（Nature，2021）與“水合負(fù)膨脹強(qiáng)化”（Nature Commnunications，2025）兩種方法來(lái)破解這一難題，也就是用“熱縮冷脹”的新型負(fù)膨脹材料來(lái)復(fù)合傳統(tǒng)的正膨脹電極，正負(fù)相抵，實(shí)現(xiàn)電極熱膨脹系數(shù)的有效調(diào)控！然而，新的問(wèn)題隨之出現(xiàn)：負(fù)膨脹材料與正膨脹鈣鈦礦顆粒間存在顯著的力學(xué)行為差異，在體相中反而產(chǎn)生更為劇烈的顆粒間應(yīng)力，引發(fā)電極體相開(kāi)裂、粉化，最終導(dǎo)致電池衰減。
為解決這一顆粒尺度的應(yīng)力集中難題，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出“界面氧化物楔合”的新策略，即通過(guò)采用高于常規(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(lái)制備新電極，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(guò)渡緩沖”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(duì)成功開(kāi)發(fā)了新型電極HfW2O8-Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ，其中HfW2O8為負(fù)膨脹相，而B(niǎo)a0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ為正膨脹相，同時(shí)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)介于負(fù)膨脹相與正膨脹相之間，可梯度緩沖顆粒間熱應(yīng)力！
圖一：全新“界面氧化物楔合”的新策略
為驗(yàn)證這一巧妙設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)緊接著開(kāi)展實(shí)驗(yàn)測(cè)試其力學(xué)強(qiáng)化效果，發(fā)現(xiàn)與原始電極相比，優(yōu)化后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(kāi)裂問(wèn)題！因此，電極變現(xiàn)出優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，其在550℃下持續(xù)運(yùn)行600小時(shí)，電阻僅增長(zhǎng)3.7%；即使在室溫空氣中暴露2年，重新升溫至工作溫度后，性能仍可恢復(fù)并穩(wěn)定運(yùn)行 長(zhǎng)達(dá)300小時(shí)，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(guò)高溫原位反應(yīng)構(gòu)建“應(yīng)力緩沖-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(jì)提供新范式，亦可推廣至催化、高溫傳感器、熱電轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域，為解決多相復(fù)合材料的力學(xué)難題提供普適性思路。
該論文由團(tuán)隊(duì)成員章遠(yuǎn)、劉志鵬、李俊彪為共同第一作者，謝和平院士為主要通訊作者，深圳大學(xué)為第一完成單位。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-63719-1
