近期，哈工大深圳校區(qū)理學(xué)院仲政教授領(lǐng)銜的氫能與燃料電池研究團(tuán)隊(duì)在固體力學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》發(fā)表名為“基于統(tǒng)一多物理場(chǎng)耦合數(shù)值框架的實(shí)體微觀結(jié)構(gòu)三維重建及機(jī)械性能量化”的前沿科研成果。

這項(xiàng)研究為解析固體氧化物電池（SOCs）在發(fā)電與電解工況下的機(jī)械破壞提供了精準(zhǔn)的量化分析手段，對(duì)提升SOCs的穩(wěn)定性和使用壽命具有重大理論和實(shí)踐價(jià)值。

SOCs作為高效能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，在燃料電池發(fā)電、電解水制氫等領(lǐng)域擁有廣闊前景。然而，實(shí)際運(yùn)行中SOCs的性能衰減問(wèn)題，尤其是電極材料的機(jī)械損傷，成為制約其商業(yè)化的關(guān)鍵因素。

受高溫環(huán)境制約，當(dāng)前對(duì)SOCs性能衰減機(jī)制的認(rèn)識(shí)仍顯不足，尤其是初始運(yùn)行階段電池內(nèi)形成的機(jī)械損傷對(duì)長(zhǎng)期耐久性的影響。

仲政教授團(tuán)隊(duì)運(yùn)用熱力學(xué)定律建立了力-熱-電-化耦合的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論框架，結(jié)合有限元法（FEM）和相場(chǎng)法（PFM），對(duì)真實(shí)微觀電極尺度SOCs的初始性能進(jìn)行了深入研究。揭示了不同工作模式下電極內(nèi)部的物種傳輸、電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、應(yīng)力和機(jī)械損傷間的復(fù)雜相互作用。

團(tuán)隊(duì)通過(guò)全電池真實(shí)微觀結(jié)構(gòu)的精確三維重構(gòu)，實(shí)驗(yàn)觀察到的電極脫層、局部損傷，跨尺度多場(chǎng)耦合過(guò)程及數(shù)值模擬結(jié)果，深入剖析了SOCs在不同工作模式下的電極內(nèi)部微結(jié)構(gòu)機(jī)械損傷現(xiàn)象。

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)從宏-微觀跨尺度角度探討了不同機(jī)械邊界條件下SOCs的機(jī)械退化與電化學(xué)性能衰減的關(guān)聯(lián)性，為SOCs的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了全新思路。

本篇論文不僅填補(bǔ)了SOCs多場(chǎng)耦合精確模擬的理論空白，也為后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究和工程應(yīng)用提供了強(qiáng)大工具，為實(shí)現(xiàn)SOCs在復(fù)雜工況下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性優(yōu)化提供了科學(xué)依據(jù)。

此外，該研究方法和工具可廣泛應(yīng)用于其他類型的能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)設(shè)備，對(duì)推動(dòng)新能源技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

論文通訊作者為理學(xué)院教授焦震鈞，第一作者為理學(xué)院博士研究生蘇云鵬。該研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、廣東省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目以及深圳市基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目資助。