钛铁固态储氢耐久性预测技术突破

西南研究院（SwRI）与圣玛丽大学近日展开合作，联手开发一套基于物理学的预测工具，用于评估TiFe基金属氢化物储氢容器的老化规律与耐久寿命。该工具以化学-热力-机械耦合框架为核心。项目获得圣玛丽大学-SwRI技术与应用研究计划（S2TAR）资助，金额为125,839美元。S2TAR专项旨在促进两所机构之间的跨学科合作。

金属氢化物是氢与金属或合金反应后生成的化合物，通常呈粉末状。氢气通过化学吸附的方式被锁定在化合物的晶格结构中。这类材料是目前最安全、最紧凑的固态储氢方案之一。

项目联合负责人、SwRI动力总成工程部研究工程师Richard S. Fu博士表示："金属氢化物在中等压力下就能像海绵一样吸收氢气，既没有高压储氢罐的爆炸风险，也没有液氢储存的高能耗问题。但它有一个尚未解决的短板——耐久性不足。经过反复充放氢循环后，合金粉末会碎裂，粉末床随之致密化，容器性能也会悄然下降。"

目前，预测这类容器老化的方法只有一种：进行费时费钱的物理测试。为此，Fu博士与圣玛丽大学机械工程助理教授Mohamed Shaat博士联手，希望用高精度建模框架替代传统的测试流程。两人计划将物理仿真模拟与针对性验证实验相结合，打造出一套能够准确预测容器全寿命周期与耐久性的工具，推动金属氢化物储氢走向更可靠的固态储能应用。

Shaat博士表示："氢能作为零排放能源载体潜力巨大，能够支持可再生能源的整合与更广泛的脱碳进程。但和所有新兴技术一样，落地应用需要攻克一系列科学与工程难题。这个项目汇聚了建模与实验两方面的互补优势，旨在深入理解储氢性能与耐久性背后的机理。"

在圣玛丽大学，Shaat将主导构建一套综合性热力学与多物理场建模框架，涵盖氢扩散、化学吸附、相变、传热和应力演化等过程，全面捕捉储氢过程中化学、热学与力学的耦合行为。该框架将用于评估容器性能，并识别出能够最大化系统耐久性与效率的设计参数和运行条件。

Shaat说："我们的核心目标是把氢气吸放过程中的物理机制转化为高效的预测模型。只有真正理解氢输运、反应、热效应和力学响应之间的相互作用与耦合关系，才能在保证精度的前提下大幅压缩储氢系统的评估时间与成本。"

在SwRI，Fu团队将开展受控循环实验，为模型的标定与验证提供数据支撑。团队基于此前在储氢实验方面积累的经验，将在贴近实际的运行条件下进行长期循环与诊断测试。建模结果与实验数据相互印证，最终实现对金属氢化物储氢容器在数百乃至数千次充放氢循环中老化过程的精准预测。

Fu表示："通过在受控条件下对容器进行循环测试，我们能够清晰追踪化学、热学与力学的耦合效应如何驱动性能衰退。模型告诉我们实验中该关注什么，实验则验证模型是否正确。"

本项目由圣玛丽大学与西南研究院共同资助。S2TAR计划为此次跨学科合作提供了种子资金，目标是深化两家机构之间的技术纽带，培育长期合作关系，并为双方联合申请联邦及工业界外部研究经费奠定基础。

Fu表示："非常感谢S2TAR计划对这一项目的启动支持。随着框架的不断完善，这套工具将有助于推动金属氢化物储氢技术走向实用，并为其更大范围的应用创造条件。这也将引领我们进入固态储氢研发的下一阶段。"

信息来源：SWRI/FCK