促进新能源技术发展!固体力学顶级期刊《JMPS》刊登哈尔滨工业大学仲政团队最新研究成果

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近日,哈工大深圳校区理学院仲政教授氢能与燃料电池研究团队在固体力学领域顶级期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上发表题为“Quantifying the mechanical degradation of solid oxide cells based on 3D reconstructions of the real microstructure using a unified multiphysics coupling numerical framework”的突破性研究成果。该工作为研究固体氧化物电池(SOCs)在发电与电解工况下电池内部多场耦合作用下的机械破坏提供了量化分析的精确方法,对于提高SOCs的稳定性和寿命具有重要的理论和实际意义。

SOCs作为一种高效的能源转换设备,在燃料电池发电、电解水制氢等领域展现出巨大潜力。然而,SOCs在实际运行中的性能衰减问题,尤其是电极材料的机械损伤是制约其商业化的主要因素之一。由于高温工况的限制,目前对SOCs性能衰减机制的理解尚不充分,特别是在初始运行阶段电池内部就形成的机械损伤对电池长期耐久性的影响。

仲政团队基于热力学定律构建了力-热-电-化耦合的连续介质力学理论框架,并结合有限元方法(FEM)和相场方法(PFM),定量研究了真实微观电极尺度SOCs的初始性能。揭示了不同工作模式下电极内部的物种传输、电化学反应动力学、应力和机械损伤之间的复杂耦合作用。

全电池真实微观结构的精确三维重构,实验观测到的电极脱层、局部损伤,跨尺度多场耦合过程及数值模拟结果

团队基于该理论框架,对SOCs在不同工作模式下的电极内部微结构机械损伤现象进行数值分析,精确量化了多种应力对电极材料机械损伤的影响。此外,团队通过宏-微观跨尺度方式探讨了不同机械边界条件下SOCs的机械退化与电化学性能衰减之间的相关性,为SOCs的设计和优化提供了新的视角。

宏-微观跨尺度模拟结果

本文不仅在理论上填补了SOCs多场耦合精确模拟的空白,也为后续实验研究和工程应用提供了强有力的工具,为实现SOCs在复杂工况下的长期稳定性优化提供科学依据。此外,该研究的方法和工具还可以推广应用于其他类型的能量转换和存储设备,对于促进新能源技术的发展具有广泛的影响。

论文通讯作者为理学院教授焦震钧,第一作者为理学院博士研究生苏云鹏。该研究得到国家自然科学基金重点项目、广东省自然科学基金面上项目以及深圳市基础研究重点项目的支持。

责编: 爱集微
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