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环球零碳
碳中和领域的《新青年》
来源：Engineering.com（AI生成）
撰文 | Bell
编辑 | 小雨
→这是《环球零碳》的1689篇原创
在人类对清洁能源与可持续飞行的不懈追求中，有一个看似简单却极其棘手的难题：如何让飞机摆脱对化石燃料的依赖，又不至于因为能源设备过于笨重而根本飞不起来？
要知道，如果将一架普通客机的70吨航空燃油，替换成同等能量容量的锂电池，飞机的重量会飙升到惊人的3500吨——这样的“电飞机”恐怕连离开地面都成问题。
传统的燃料电池也面临同样的困境：虽然该技术清洁高效，但也因大量金属部件的使用而“体重超标”，长期无法在航空航天这一“斤斤计较”的领域大展拳脚。
然而，这个僵局最近被一项来自丹麦技术大学（DTU）的突破性研究打破了。
一支由材料科学家和机械工程师组成的跨学科团队，从大自然中汲取灵感，运用前沿的3D打印技术，成功研制出一种名为“单体陀螺体固体氧化物电池”的全新燃料电池。
这项发表在《自然·能源》杂志上的成果首次让燃料电池的“比功率”（每克重量产生的功率）突破了1瓦/克的大关，达到了航空航天应用的门槛。
而且，可逆固体氧化物燃料电池支持在发电和储能（电解）模式之间切换。当切换到电解水模式（将电能转化为氢气）时，其产氢速率更是达到传统设计的近10倍。
传统SOC（固体氧化物电池）多采用平面或管式二维结构，依赖金属连接件和密封组件，导致系统重量大、体积笨重、结构复杂。
而在本次的技术突破中，研究人员开发出了单体化、无金属连接件的SOC结构，显著提升了其重量比功率、体积功率密度和稳定性。
这项技术的核心奥秘，藏在一个名为“陀螺体（Gyroid Geometry）”的奇妙几何结构中。
当我们仔细观察蝴蝶翅膀的微观结构，或者某些海洋生物（如珊瑚）的外形构造时，可能会惊叹于这些从自然界中诞生的“轻质高强度”技术。
图说：蝴蝶翅膀上的天然螺旋结构（a）（b）海龟网
来源：DOI: 10.1126/sciadv.1600084
陀螺体是一种“三重周期极小曲面”，它在数学上可以被证明是在给定空间内实现最大表面积的最优结构之一。工程师们已经利用类似的原理设计了高效的热交换器。
而DTU的研究团队则是世界上首个被报道的成功将这种三维几何结构应用于电化学能量转换装置（即燃料电池）的团队。
他们采用高精度的陶瓷3D打印技术，用氧化钇稳定的锆石（8YSZ）粉末、光敏树脂等材料，一次性打印出整个具有陀螺体结构的电解质框架。
这个框架本身既是离子传导的电解质，又是支撑整个电池的坚固骨架。然后，他们通过湿化学涂覆技术，分别在框架的两侧“迷宫”通道内壁上涂上燃料电极和氧气电极。
最终形成的电池是一个完整的陶瓷单体结构，没有任何金属连接件或密封材料——而这正是传统燃料电池重量的主要来源（占比超过75%）。
图说：平面固体氧化物电池（a）（b）与3D固体氧化物电池（c）（d）
来源：https://doi.org/10.1038/s41560-025-01811-y
这种“全陶瓷”的“单体”设计带来了革命性的优势。
首先，它极其轻巧紧凑。陀螺体结构赋予了它无与伦比的比表面积，使得电化学反应可以在更小的体积内更高效地进行。
测试结果表明，这种新型电池在燃料电池模式下的功率密度超过1 W/g和3 W/cm³，首次达到航空航天应用所需的比功率指标。
这意味着，为同样功率的设备提供能量，新型电池的重量和体积可以大幅缩减。
其次，它的性能异常强悍。该电池结构中多孔的陀螺体通道让燃料和空气能够高效流通，热量分布也更均匀。
当切换到电解水模式（将电能转化为氢气）时，其产氢速率更是达到传统设计的近10倍。
同时，研究人员还对该电池进行了严苛的考验：在100摄氏度的温度剧烈波动下反复运行，并快速在发电模式和电解模式之间切换。
结果显示，该陶瓷电池展现出了惊人的韧性，没有出现任何结构损坏或分层迹象。这种动态稳定性对于实际应用至关重要，尤其是在工况复杂多变的航空航天环境中。
除了性能卓越，其制造过程也更为简化。
传统燃料电池堆栈需要几十个制造步骤和多种材料，而这种单体陶瓷设计仅需三个主要步骤：3D打印、电极涂覆和共烧结。
这不仅降低了制造的复杂性，也为未来的定制化和现场生产提供了可能。
这项技术的潜力在太空探索领域显得尤为可贵。
目前锂电池和燃料电池在航空航天领域应用受限，但本次新型燃料电池设计改变了这一现状——它首次展示了航空航天所需的瓦特与克的比值（或称比功率）。
以美国宇航局（NASA）著名的“火星氧气原位资源利用实验”（MOXIE）为例，该设备目前需要依赖重达6吨多的传统燃料电池堆栈在火星上从二氧化碳中制取氧气。
而如果采用DTU的这种新型3D打印电池，实现相同性能的设备重量有望降至800公斤以下。
这对于需要将每克重量都付出巨大代价才能送入太空的航天任务来说，无疑是天大的好消息，将极大降低未来载人火星任务的成本和复杂度。
展望未来，研究人员希望通过使用更薄的电解质、用银或镍等更便宜的材料替代铂作为电流收集器，以及进一步优化结构，性能还有巨大的提升空间。
通过模仿自然的智慧（仿生设计）和拥抱数字制造（3D打印），研究人员创造出了更轻便、更高效、更坚固的能源装置，为航空航天绿色能源应用开辟新路径。
Reference：
[1]https://www.nature.com/articles/s41560-025-01811-y
[2]https://www.eurekalert.org/news-releases/1098626
[3]https://interestingengineering.com/energy/3d-printed-fuel-cell-for-jets
[4]https://www.stdaily.com/web/gdxw/2025-09/22/content_405215.html
[5]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.1600084
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