突破性3D打印固体氧化物电池提供更轻更紧凑的能源解决方案

　　在过去的几十年里，能源工程师一直在开发各种新技术，为电子设备、机器人和电动汽车提供更高效、更可靠的动力。其中包括固体氧化物电池（SOCs），一种可以在两种不同模式下工作的电化学装置，作为燃料电池或作为电解槽。

　　燃料电池是一种可以通过化学反应将特定化学物质中的能量转化为电能的装置。另一方面，电解槽是一种可以利用电分解水（H2O）或其他分子，以产生氢（H2）或其他所需化学物质的技术。

　　迄今为止开发的大多数SOC都是二维（2D）的，由不同材料堆叠层的平面结构组成。然而，这种2D设计限制了设备在减小尺寸的同时增加重量的程度，因为它依赖于金属互连来实现能量流动并密封不同的组件。

　　丹麦技术大学（Technical University of Denmark）的研究人员最近设计了一种新的三维（3D）SOC，它具有被称为陀螺的周期性表面结构。发表在《自然能源》杂志上的一篇论文概述了这些电池，它们可以用3D打印制造，也被称为增材制造。

　　该论文的通讯作者文森佐·埃斯波西托教授告诉科技探索网说：“在热交换器中使用回转结构已被证明可以减轻重量，改善紧凑性，提高效率。我们用离子导电陶瓷取代了金属，从而实现了3D-SOC概念。3D-SOC非常适合要求轻量化、紧凑和稳定的应用，例如航空航天和汽车行业。”

　　埃斯波西托教授和他的同事开发的单片3D-SOC有三个主要组成部分：致密的陶瓷电解质，多孔燃料电极和多孔氧电极。像其他SOC一样，它们可以在两种不同的模式下工作，即作为燃料电池或作为电解槽。

　　埃斯波西托教授说：“在燃料电池（SOFC）模式下，电池利用H2、CH₄和CO等燃料气体发电，通常称为X to Power。”

　　“在电解（SOEC）模式下，它通过电解H₂O或CO₂产生燃料气体和O₂，称为Power to X。”

　　为了制造他们的3D-SOC，研究人员首先实现了他们的单片陶瓷框架，其中包括电解质、密封和支撑结构。整个结构是用3D打印技术制造的。

　　随后，他们将燃料电极和氧气电极涂在电解液的表面。最后，他们将电解质、燃料电极和氧电极共同烧结在一起，最终获得了一个功能齐全的单片3D-SOC。

　　该论文的第一作者Zhipeng Zhou博士解释说：“与传统的SOC堆叠技术相比，3D-SOC的制造工艺极其简化。传统的SOC堆叠需要集成许多组件，包括单个电池、金属互连和密封剂。相比之下，3D- SOC只需使用3D打印、涂层和共烧结工艺即可制造。”

　　与2D-SOC相比，研究人员开发的3D器件可以在不需要额外组件的情况下按比例放大，从而降低了其整体重量。此外，该团队的新设计为电解质提供了更大的空间，同时最小化了电池的尺寸并最大化了其紧凑性。

　　Zhou博士说：“3D-SOC非常灵活，可以在没有金属互连的情况下进行升级，完全消除金属互连大大提高了SOC系统的稳定性并降低了成本。”

　　埃斯波西托教授、Zhou博士和他们的同事最近的工作为3D-SOC的制造开辟了新的令人兴奋的可能性。在未来，他们设计的设备可以进一步改进，并在各种环境中部署，特别是在航空航天和汽车工业中。

　　该论文的通讯作者Venkata Nadimpalli博士说：“一些例子包括美国宇航局的火星计划和空中客车公司的SOFC飞机（HYLENA | Airbus）。”

　　“从科学的角度来看，3D-SOC与传统SOC设计具有根本不同的结构。因此，传统SOC得出的结论可能不适用于3D-SOC，因为3D-SOC具有不同的气体分布和热传输特性。”

　　Esposito教授、Zhou博士和Nadimpalli博士希望他们的研究能很快启发其他研究小组设计出类似的3D-SOC，这些SOC紧凑、高性能、更具可扩展性。

　　（素材来自：Technical University of Denmark 全球氢能网、新能源网综合）