过去几十年，能源工程师致力于开发新技术，以更高效可靠地为电子设备、机器人和电动汽车供电，固体氧化物电池(SOC)便是其中之一，它可按燃料电池或电解槽两种模式运行。燃料电池能将化学物质能量转化为电能，电解器则利用电能分解分子产生所需化学物质。

目前开发的SOC大多为二维(2D)结构，由不同材料堆叠成扁平状。但这种二维设计限制了器件尺寸缩小，还因依赖金属互连实现能量流动和密封组件而增加了重量。

丹麦技术大学研究人员设计出一种新型三维(3D)SOC，其表面有周期性螺旋状结构，可通过3D打印制造，相关论文发表于《自然能源》杂志。论文通讯作者文森佐·埃斯波西托教授称，借鉴热交换器中螺旋结构可减轻重量、提高紧凑度和效率的经验，他们用离子导电陶瓷取代金属，实现了3D - SOC概念。这种3D - SOC适合对轻量化、紧凑性和稳定性要求高的航空航天和汽车行业。

埃斯波西托教授及其同事研发的单片式回旋式SOC主要由致密陶瓷电解质、多孔燃料电极和多孔氧电极三个组件构成，同样能以燃料电池或电解槽两种模式运行。在燃料电池(SOFC)模式下，利用氢气等燃料气体发电;在电解(SOEC)模式下，通过电解水或二氧化碳产生燃料气体和氧气。

制造3D SOC时，研究人员先实现包含电解质、密封和支撑结构的单片陶瓷框架，整个结构用3D打印技术制造;再将燃料电极和氧电极涂覆在电解质表面;最后将三者共烧结，得到可正常工作的单片螺旋形SOC。

论文第一作者周志鹏博士表示，与传统SOC堆栈技术相比，3D - SOC制造工艺极大简化。传统SOC堆栈需集成众多组件，而3D - SOC仅需3D打印、涂层和共烧结工艺。

与二维SOC相比，3D设备无需额外组件即可扩大规模，减轻了整体重量。新设计还为电解质提供了更大空间，减小了电池尺寸，提高了紧凑性。周博士称，3D - SOC很灵活，无需金属互连即可规模升级，完全消除金属互连提高了系统稳定性并降低了成本。

论文通讯作者Venkata Nadimpalli博士称，该研究成果可应用于NASA的火星计划和空客的SOFC飞机等。从科学角度看，3D - SOC结构与传统SOC设计根本不同，传统结论可能不适用。

埃斯波西托教授、周博士和Nadimpalli博士希望研究能激励其他小组设计出类似的紧凑、高性能和更具可扩展性的3D SOC。

更多信息：Zhipeng Zhou 等，通过增材制造技术制备单片螺旋状固体氧化物电池，《自然能源》 (2025)