在過去的幾十年里，能源工程師一直在開發(fā)各種新技術(shù)，為電子設(shè)備、機(jī)器人和電動(dòng)汽車提供更高效、更可靠的動(dòng)力。其中包括固體氧化物電池（SOCs），一種可以在兩種不同模式下工作的電化學(xué)裝置，作為燃料電池或作為電解槽。

燃料電池是一種可以通過化學(xué)反應(yīng)將特定化學(xué)物質(zhì)中的能量轉(zhuǎn)化為電能的裝置。另一方面，電解槽是一種可以利用電分解水（H2O）或其他分子，以產(chǎn)生氫（H2）或其他所需化學(xué)物質(zhì)的技術(shù)。

迄今為止開發(fā)的大多數(shù)SOC都是二維（2D）的，由不同材料堆疊層的平面結(jié)構(gòu)組成。然而，這種2D設(shè)計(jì)限制了設(shè)備在減小尺寸的同時(shí)增加重量的程度，因?yàn)樗蕾囉诮饘倩ミB來實(shí)現(xiàn)能量流動(dòng)并密封不同的組件。

丹麥技術(shù)大學(xué)（Technical University of Denmark）的研究人員最近設(shè)計(jì)了一種新的三維（3D）SOC，它具有被稱為陀螺的周期性表面結(jié)構(gòu)。發(fā)表在《自然能源》雜志上的一篇論文概述了這些電池，它們可以用3D打印制造，也被稱為增材制造。

該論文的通訊作者文森佐·埃斯波西托教授告訴科技探索網(wǎng)說：“在熱交換器中使用回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)已被證明可以減輕重量，改善緊湊性，提高效率。我們用離子導(dǎo)電陶瓷取代了金屬，從而實(shí)現(xiàn)了3D-SOC概念。3D-SOC非常適合要求輕量化、緊湊和穩(wěn)定的應(yīng)用，例如航空航天和汽車行業(yè)?！?/p>

埃斯波西托教授和他的同事開發(fā)的單片3D-SOC有三個(gè)主要組成部分：致密的陶瓷電解質(zhì)，多孔燃料電極和多孔氧電極。像其他SOC一樣，它們可以在兩種不同的模式下工作，即作為燃料電池或作為電解槽。

埃斯波西托教授說：“在燃料電池（SOFC）模式下，電池利用H2、CH?和CO等燃料氣體發(fā)電，通常稱為X to Power?！?/p>

“在電解（SOEC）模式下，它通過電解H?O或CO?產(chǎn)生燃料氣體和O?，稱為Power to X?！?/p>

為了制造他們的3D-SOC，研究人員首先實(shí)現(xiàn)了他們的單片陶瓷框架，其中包括電解質(zhì)、密封和支撐結(jié)構(gòu)。整個(gè)結(jié)構(gòu)是用3D打印技術(shù)制造的。

隨后，他們將燃料電極和氧氣電極涂在電解液的表面。最后，他們將電解質(zhì)、燃料電極和氧電極共同燒結(jié)在一起，最終獲得了一個(gè)功能齊全的單片3D-SOC。

該論文的第一作者Zhipeng Zhou博士解釋說：“與傳統(tǒng)的SOC堆疊技術(shù)相比，3D-SOC的制造工藝極其簡(jiǎn)化。傳統(tǒng)的SOC堆疊需要集成許多組件，包括單個(gè)電池、金屬互連和密封劑。相比之下，3D- SOC只需使用3D打印、涂層和共燒結(jié)工藝即可制造?！?/strong>

與2D-SOC相比，研究人員開發(fā)的3D器件可以在不需要額外組件的情況下按比例放大，從而降低了其整體重量。此外，該團(tuán)隊(duì)的新設(shè)計(jì)為電解質(zhì)提供了更大的空間，同時(shí)最小化了電池的尺寸并最大化了其緊湊性。

Zhou博士說：“3D-SOC非常靈活，可以在沒有金屬互連的情況下進(jìn)行升級(jí)，完全消除金屬互連大大提高了SOC系統(tǒng)的穩(wěn)定性并降低了成本?！?/strong>

埃斯波西托教授、Zhou博士和他們的同事最近的工作為3D-SOC的制造開辟了新的令人興奮的可能性。在未來，他們?cè)O(shè)計(jì)的設(shè)備可以進(jìn)一步改進(jìn)，并在各種環(huán)境中部署，特別是在航空航天和汽車工業(yè)中。

該論文的通訊作者Venkata Nadimpalli博士說：“一些例子包括美國(guó)宇航局的火星計(jì)劃和空中客車公司的SOFC飛機(jī)（HYLENA | Airbus）?！?/p>

“從科學(xué)的角度來看，3D-SOC與傳統(tǒng)SOC設(shè)計(jì)具有根本不同的結(jié)構(gòu)。因此，傳統(tǒng)SOC得出的結(jié)論可能不適用于3D-SOC，因?yàn)?D-SOC具有不同的氣體分布和熱傳輸特性。”

Esposito教授、Zhou博士和Nadimpalli博士希望他們的研究能很快啟發(fā)其他研究小組設(shè)計(jì)出類似的3D-SOC，這些SOC緊湊、高性能、更具可擴(kuò)展性。

（素材來自：Technical University of Denmark 全球氫能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）