丹麥技術(shù)大學(xué)3D打印一體化陶瓷燃料電池摒棄金屬密封，實(shí)現(xiàn)重量銳減

2025年9月20日，南極熊獲悉，丹麥技術(shù)大學(xué)（DTU）研究團(tuán)隊(duì)在可持續(xù)能源技術(shù)領(lǐng)域取得重大突破，成功開發(fā)出一種基于3D打印技術(shù)的新型全陶瓷燃料電池，未來很有可能改變?nèi)剂想姵卦诤娇蘸教斓雀叨艘苿訄鼍爸械膽?yīng)用局限。

△相關(guān)研究成果已于《Nature Energy》期刊，題目為“通過增材制造技術(shù)制造整體式螺旋固體氧化物電池”（傳送門）

3D打印制備新型螺旋燃料電池

傳統(tǒng)燃料電池因依賴大量金屬密封與連接部件，導(dǎo)致它的重量占比超過75%，嚴(yán)重限制了它在航空、航天等對重量敏感領(lǐng)域的應(yīng)用。相比之下，純電動解決方案同樣面臨能量密度不足的根本挑戰(zhàn)——例如將噴氣飛機(jī)70噸航油替換為鋰離子電池，總重將激增至3500噸，完全不具可行性。

△圖片展示了傳統(tǒng)SOC電池組的結(jié)構(gòu)和組件，包括單電池、金屬互連線和密封劑

為解決這一瓶頸，DTU Energy與DTU Construct聯(lián)合團(tuán)隊(duì)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面實(shí)現(xiàn)原始創(chuàng)新。他們借鑒自然界中蝴蝶翅膀和工業(yè)熱交換器中的螺旋幾何形態(tài)，利用三重周期最小表面（TPMS）結(jié)構(gòu)，通過數(shù)學(xué)優(yōu)化與3D打印工藝制造出全球首款“單片螺旋固體氧化物電池”（簡稱“單片”）。這種結(jié)構(gòu)在保證機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)，極大增加了電化學(xué)活性面積，實(shí)現(xiàn)了單位質(zhì)量功率輸出的跨越式提升——達(dá)到每克超過1瓦的比功率，創(chuàng)下該類型電化學(xué)裝置的新紀(jì)錄。

高級研究員Venkata Karthik Nadimpalli說道：“目前，使用基于電能的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，例如電池和燃料電池，對于航空航天應(yīng)用來說意義不大。但我們的新型燃料電池設(shè)計(jì)改變了這一點(diǎn)。這是首次使用可持續(xù)的綠色技術(shù)，展示航空航天所需的瓦特與克的比值（或稱比功率）。”

△一種采用螺旋結(jié)構(gòu)的熱交換器，這種設(shè)計(jì)尤其適用于航空航天領(lǐng)域

生產(chǎn)制造得到簡化

燃料電池已經(jīng)為氫動力汽車、船舶、數(shù)據(jù)中心和醫(yī)院提供動力，并且還可以通過電解儲存可再生能源。新的DTU設(shè)計(jì)增加了多項(xiàng)優(yōu)勢：高效的氣流、更佳的熱量分布、更高的穩(wěn)定性，以及比傳統(tǒng)系統(tǒng)快近十倍的制氫速度。

Vincenzo Esposito教授說道：“我們還在極端條件下測試了該系統(tǒng)，包括100°C的溫度波動，并在燃料電池和電解模式之間反復(fù)切換。燃料電池表現(xiàn)出色，沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)故障或?qū)臃蛛x的跡象?！?br />

△3D SOC的結(jié)構(gòu)表征

這項(xiàng)技術(shù)有望直接應(yīng)用于諸如NASA“MOXIE”等項(xiàng)目，當(dāng)前用于在火星大氣中制氧的MOXIE系統(tǒng)重量超過6噸，若采用DTU方案可降至800公斤，大幅提升任務(wù)可行性。

研究團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)，傳統(tǒng)SOC電堆需數(shù)十道工序并使用多種易退化材料，而這種項(xiàng)全陶瓷單片設(shè)計(jì)僅需五個制造步驟，無需金屬組件，也消除了傳統(tǒng)密封結(jié)構(gòu)帶來的脆弱性問題。研究人員進(jìn)一步指出，更薄的電解質(zhì)、低成本集流體和緊湊型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還將為性能提升留下充足空間。