科技日报记者 罗云鹏
10月1日，深圳大学谢和平院士团队在《自然·通讯》发表最新研究成果，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”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，其空气电极与电解质间的热膨胀系数不匹配，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，长期以来制约着其寿命。
据悉，研究团队通过“界面氧化物楔合”新策略，采用高于常规电极烧结温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，团队成功开发出新型电极，同时成功在颗粒界面生成关键楔合相，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。
为验证这一设计，团队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，电极表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。
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