韩国科学技术院Taek‐Soo Kim：通过控制可冻结水域尺寸预防离聚物结合碳膜的霜驱动自断裂

背景：离聚物结合的碳膜电极是聚合物电解质膜燃料电池及水电解器等能源转换器件的核心部件，在零度以下环境运行时，内部水分的相变膨胀会引发严重的“霜驱动自断裂”问题，导致机械失效与性能衰减。传统研究将损伤归因于纳米孔道内的冰形成，相关抑制策略存在局限。研究目的：阐明确切的失效机理并开发相应的本征结构抑制策略，以实现能源器件在极端低温环境下的高稳定性。结论：研究首次明确指出霜驱动损伤的核心机制源于离聚物粘结剂相内受限水的冻结膨胀，而非传统认知的碳相纳米孔。通过190℃热重构工艺对离聚物纳米结构进行工程化调控，有效减小了其内部可冻结水域的尺寸，使电极吸水率降低约30%，从而在冻结过程中显著抑制了局部应力积累。优化后的电极在-30℃冻融循环后，其断裂伸长率仍能保持在初始值的90%以上，机械鲁棒性与电化学性能均得到显著提升。该研究为设计适用于严寒工况的高稳定性电化学能源器件提供了重要的理论依据与材料工程路径。