2025年4月3日，深圳大学土木工程与交通工程学院特聘教授谢和平院士及其团队在《自然·通讯》杂志上发表题为“Hydration-induced stiffness enabling robust thermal cycling of high temperature fuel cells cathode”的研究论文(Nature Communications 16, 3154 (2025))。该文针对高温燃料电池电极易体相断裂失效、热循环稳定不足的技术难题，首次以“力学-电化学”交叉融合构建出一种“水合诱导化学膨胀补偿”全新策略，显著提升了电极弹性模量及断裂强度，成功攻克了现有高温燃料电池的稳定性技术瓶颈。该成果是团队在力学与电化学交叉研究领域取得的首个突破性成果。团队硕士研究生杨洪鑫为论文第一作者，谢和平院士为主要通讯作者，深圳大学为第一完成单位。

突破传统视角

从界面剥离到体相断裂

高温燃料电池（Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs）具有极高的能量转换效率和广泛的燃料适用性，可直接利用氢、甲烷、氨甚至煤炭等进行电化学转化，因此备受全球关注。但其大规模商业化仍受限，尤其是在热循环过程中的稳定性不足，已成进一步发展的关键瓶颈！长期以来，提升高温燃料电池热循环稳定性的研究主要集中在缓解电极与电解质之间的界面剥离问题。

早在2021年，团队成员就已提出“负膨胀材料复合”策略来解决界面剥离难题（Nature, 591(2021), 246-251），但在后续研发中，团队发现，电极内部的体相断裂导致燃料电池力学失效可能是更加关键的一个因素（如图1），尤其是在高温热循环过程中，复杂变化的热应力作用下，多孔电极内部的裂纹生成和扩展可能先于界面剥离而发生，从而逐渐降低电极整体结构完整性，引发性能衰减。由此，团队突破传统视角，从电极内部体相断裂入手，凭借在断裂力学与强度理论领域深厚研究积累，自主搭建了全球首个FIB-SEM-Nanoindenter-Raman 四联用微纳力学研究平台（如图2），对高温环境下 SOFC 电极体相断裂演化过程展开了系统而深入的观测研究。

图1：电极内部体相断裂示意图

图2：团队建立的FIB-SEM-Nanoindenter-Raman 四联用微纳力学研究平台

创新策略：

水合诱导化学膨胀补偿

在对比不同电极材料高温断裂强度的测试实验中，团队惊喜地发现，电极的水合能力差别（即高温下材料的化学吸水能力）与其断裂强度的差别存在着高度相关性（如图3）。这一发现使团队倍感振奋，随后团队从深部岩石水岩相互作用强度理论中（《岩石、混凝土损伤力学》1991，谢和平著）获取灵感，从而深入探索材料寿命与断裂韧度和温度的关系，首次以“力学-电化学”交叉融合构建出一种“水合诱导化学膨胀补偿”的全新策略，即利用本征脆性的电极材料在高温下（约600 °C）的水合反应，引发足够的化学膨胀，来抵消电极冷却过程中的热收缩，弥合电极颗粒之间的裂纹，优化颗粒间接触，以期提高电极的整体模量和断裂强度。基于该全新策略，团队对一系列经典电极材料开展了水合诱导强化实验，并利用原位微纳力学平台详细评估水合强化之后电极的弹性模量、表面硬度、断裂强度、Pugh指数等关键力学性能。

实验验证：

断裂强度提升 86%，热循环无降解

水合诱导强化实验结果表明：该策略能够有效强化电极材料的断裂强度、模量等关键力学性能，且具有极好普适性（见图3）。以经典的空气电极材料体系Ba(Ce,Co)O3 为例，相比未改性电极材料，水合强化后的电极（命名为s-BCC-Y）机械力学性能大幅增强，断裂强度提升了 86%，达129.4 MPa，在 600至300摄氏度之间剧烈热循环 35 次后，s-BCC-Y无明显电化学性能损失和材料降解，仍保持稳定。

图3：电极水合诱导化学膨胀补偿后的力学及电化学性能强化效果

研究价值

推动学科交叉融合研究

助力高性能燃料电池发展

该研究首次从电极体相断裂力学强化的视角出发，通过力学与电化学的深度交叉研究，成功提出了一种通过化学水合调控力学性质的新策略，不仅有助于提升固体氧化物燃料电池、质子陶瓷燃料电池、直接煤燃料电池等一系列燃料电池的力学耐久性，还为电池、催化、高温电化学能源转换器件等领域的材料力学优化提供了崭新思路，为清洁能源技术的突破和产业化应用提供助力。