在人類對清潔能源與可持續(xù)飛行的不懈追求中，有一個(gè)看似簡單卻極其棘手的難題：如何讓飛機(jī)擺脫對化石燃料的依賴，又不至于因?yàn)槟茉丛O(shè)備過于笨重而根本飛不起來？

要知道，如果將一架普通客機(jī)的70噸航空燃油，替換成同等能量容量的鋰電池，飛機(jī)的重量會飆升到驚人的3500噸——這樣的“電飛機(jī)”恐怕連離開地面都成問題。

傳統(tǒng)的燃料電池也面臨同樣的困境：雖然該技術(shù)清潔高效，但也因大量金屬部件的使用而“體重超標(biāo)”，長期無法在航空航天這一“斤斤計(jì)較”的領(lǐng)域大展拳腳。

然而，這個(gè)僵局最近被一項(xiàng)來自丹麥技術(shù)大學(xué)（DTU）的突破性研究打破了。

一支由材料科學(xué)家和機(jī)械工程師組成的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)，從大自然中汲取靈感，運(yùn)用前沿的3D打印技術(shù)，成功研制出一種名為“單體陀螺體固體氧化物電池”的全新燃料電池。

這項(xiàng)發(fā)表在《自然·能源》雜志上的成果首次讓燃料電池的“比功率”（每克重量產(chǎn)生的功率）突破了1瓦/克的大關(guān)，達(dá)到了航空航天應(yīng)用的門檻。

而且，可逆固體氧化物燃料電池支持在發(fā)電和儲能（電解）模式之間切換。當(dāng)切換到電解水模式（將電能轉(zhuǎn)化為氫氣）時(shí)，其產(chǎn)氫速率更是達(dá)到傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的近10倍。

傳統(tǒng)SOC（固體氧化物電池）多采用平面或管式二維結(jié)構(gòu)，依賴金屬連接件和密封組件，導(dǎo)致系統(tǒng)重量大、體積笨重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

而在本次的技術(shù)突破中，研究人員開發(fā)出了單體化、無金屬連接件的SOC結(jié)構(gòu)，顯著提升了其重量比功率、體積功率密度和穩(wěn)定性。

這項(xiàng)技術(shù)的核心奧秘，藏在一個(gè)名為“陀螺體（Gyroid Geometry）”的奇妙幾何結(jié)構(gòu)中。

當(dāng)我們仔細(xì)觀察蝴蝶翅膀的微觀結(jié)構(gòu)，或者某些海洋生物（如珊瑚）的外形構(gòu)造時(shí)，可能會驚嘆于這些從自然界中誕生的“輕質(zhì)高強(qiáng)度”技術(shù)。

圖說：蝴蝶翅膀上的天然螺旋結(jié)構(gòu)（a）（b）

來源：DOI: 10.1126/sciadv.1600084

陀螺體是一種“三重周期極小曲面”，它在數(shù)學(xué)上可以被證明是在給定空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大表面積的最優(yōu)結(jié)構(gòu)之一。工程師們已經(jīng)利用類似的原理設(shè)計(jì)了高效的熱交換器。

而DTU的研究團(tuán)隊(duì)則是世界上首個(gè)被報(bào)道的成功將這種三維幾何結(jié)構(gòu)應(yīng)用于電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置（即燃料電池）的團(tuán)隊(duì)。

他們采用高精度的陶瓷3D打印技術(shù)，用氧化釔穩(wěn)定的鋯石（8YSZ）粉末、光敏樹脂等材料，一次性打印出整個(gè)具有陀螺體結(jié)構(gòu)的電解質(zhì)框架。

這個(gè)框架本身既是離子傳導(dǎo)的電解質(zhì)，又是支撐整個(gè)電池的堅(jiān)固骨架。然后，他們通過濕化學(xué)涂覆技術(shù)，分別在框架的兩側(cè)“迷宮”通道內(nèi)壁上涂上燃料電極和氧氣電極。

最終形成的電池是一個(gè)完整的陶瓷單體結(jié)構(gòu)，沒有任何金屬連接件或密封材料——而這正是傳統(tǒng)燃料電池重量的主要來源（占比超過75%）。

圖說：平面固體氧化物電池（a）（b）與3D固體氧化物電池（c）（d）

來源：https://doi.org/10.1038/s41560-025-01811-y

這種“全陶瓷”的“單體”設(shè)計(jì)帶來了革命性的優(yōu)勢。

首先，它極其輕巧緊湊。陀螺體結(jié)構(gòu)賦予了它無與倫比的比表面積，使得電化學(xué)反應(yīng)可以在更小的體積內(nèi)更高效地進(jìn)行。

測試結(jié)果表明，這種新型電池在燃料電池模式下的功率密度超過1 W/g和3 W/cm3，首次達(dá)到航空航天應(yīng)用所需的比功率指標(biāo)。

這意味著，為同樣功率的設(shè)備提供能量，新型電池的重量和體積可以大幅縮減。

其次，它的性能異常強(qiáng)悍。該電池結(jié)構(gòu)中多孔的陀螺體通道讓燃料和空氣能夠高效流通，熱量分布也更均勻。

當(dāng)切換到電解水模式（將電能轉(zhuǎn)化為氫氣）時(shí)，其產(chǎn)氫速率更是達(dá)到傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的近10倍。

同時(shí)，研究人員還對該電池進(jìn)行了嚴(yán)苛的考驗(yàn)：在100攝氏度的溫度劇烈波動下反復(fù)運(yùn)行，并快速在發(fā)電模式和電解模式之間切換。

結(jié)果顯示，該陶瓷電池展現(xiàn)出了驚人的韌性，沒有出現(xiàn)任何結(jié)構(gòu)損壞或分層跡象。這種動態(tài)穩(wěn)定性對于實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要，尤其是在工況復(fù)雜多變的航空航天環(huán)境中。

除了性能卓越，其制造過程也更為簡化。

傳統(tǒng)燃料電池堆棧需要幾十個(gè)制造步驟和多種材料，而這種單體陶瓷設(shè)計(jì)僅需三個(gè)主要步驟：3D打印、電極涂覆和共燒結(jié)。

這不僅降低了制造的復(fù)雜性，也為未來的定制化和現(xiàn)場生產(chǎn)提供了可能。

這項(xiàng)技術(shù)的潛力在太空探索領(lǐng)域顯得尤為可貴。

目前鋰電池和燃料電池在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用受限，但本次新型燃料電池設(shè)計(jì)改變了這一現(xiàn)狀——它首次展示了航空航天所需的瓦特與克的比值（或稱比功率）。

以美國宇航局（NASA）著名的“火星氧氣原位資源利用實(shí)驗(yàn)”（MOXIE）為例，該設(shè)備目前需要依賴重達(dá)6噸多的傳統(tǒng)燃料電池堆棧在火星上從二氧化碳中制取氧氣。

而如果采用DTU的這種新型3D打印電池，實(shí)現(xiàn)相同性能的設(shè)備重量有望降至800公斤以下。

這對于需要將每克重量都付出巨大代價(jià)才能送入太空的航天任務(wù)來說，無疑是天大的好消息，將極大降低未來載人火星任務(wù)的成本和復(fù)雜度。

展望未來，研究人員希望通過使用更薄的電解質(zhì)、用銀或鎳等更便宜的材料替代鉑作為電流收集器，以及進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，性能還有巨大的提升空間。

通過模仿自然的智慧（仿生設(shè)計(jì)）和擁抱數(shù)字制造（3D打印），研究人員創(chuàng)造出了更輕便、更高效、更堅(jiān)固的能源裝置，為航空航天綠色能源應(yīng)用開辟新路徑。