2025年10月1日，深圳大學謝和平院士團隊在《Nature Communications》發表題為“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部力學破壞失效難題，創新提出“界面氧化物楔合”的全新策略，成功實現電極力學穩定性與電化學性能的協同提升。

高溫固體氧化物燃料電池因高能量轉換效率、寬燃料適應性（可利用氫、甲烷、氨以及煤炭進行直接發電轉化）及低排放特性，被視為未來清潔能源領域的核心技術之一。然而，其空氣電極（多為鈷基鈣鈦礦材料）與電解質間的熱膨脹系數不匹配（相差可達100%?。虼嗽谶\行過程中往往產生極大的熱應力，引發電極剝離、破碎等力學失效，長期以來是制約壽命的關鍵瓶頸。此前，團隊成員曾提出“負膨脹材料復合”（Nature，2021）與“水合負膨脹強化”（Nature Commnunications，2025）兩種方法來破解這一難題，也就是用“熱縮冷脹”的新型負膨脹材料來復合傳統的正膨脹電極，正負相抵，實現電極熱膨脹系數的有效調控！然而，新的問題隨之出現：負膨脹材料與正膨脹鈣鈦礦顆粒間存在顯著的力學行為差異，在體相中反而產生更為劇烈的顆粒間應力，引發電極體相開裂、粉化，最終導致電池衰減。

為解決這一顆粒尺度的應力集中難題，團隊創新提出“界面氧化物楔合”的新策略，即通過采用高于常規電極燒結溫度（1100攝氏度，而傳統電極燒結溫度約800-1000攝氏度）的反應燒結條件來制備新電極，誘導負膨脹材料與鈣鈦礦電極發生原位反應，在兩者界面生成具有“過渡緩沖”作用的新型界面氧化物相，如同在顆粒間隙打入“力學楔子”，在顆粒尺度上抑制電極內部裂紋的萌生與擴展。利用該策略，團隊成功開發了新型電極HfW₂O₈-Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe0.2O_3-δ，其中HfW2O8為負膨脹相，而Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-δ為正膨脹相，同時成功在他們的顆粒界面生成關鍵楔合相（Co₃O₄、Fe₃O₄、BaHfO₃以及Sr₃WO₆），這些新生成的楔合氧化物具有“中間熱膨脹系數特性”—其熱膨脹系數介于負膨脹相與正膨脹相之間，可梯度緩沖顆粒間熱應力！

圖一：全新“界面氧化物楔合”的新策略

為驗證這一巧妙設計，團隊緊接著開展實驗測試其力學強化效果，發現與原始電極相比，優化后的新型電極彈性模量提升102%，硬度提升138%，斷裂韌性達到原始材料的2.3倍，電極-電解質界面的馮?米塞斯應力也降低了22.6%，徹底解決體相開裂問題！因此，電極變現出優異的長期穩定性，其在550℃下持續運行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后，性能仍可恢復并穩定運行 長達300小時，展現出極強的環境適應性。

該研究首次從顆粒界面力學調控視角出發，通過高溫原位反應構建“應力緩沖-活性增強”一體化界面，不僅為高溫固體氧化物燃料電池電極力學強化設計提供新范式，亦可推廣至催化、高溫傳感器、熱電轉換等領域，為解決多相復合材料的力學難題提供普適性思路。

該論文由團隊成員章遠、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，深圳大學為第一完成單位。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-63719-1