在人類對清潔能源與可持續飛行的不懈追求中，有一個看似簡單卻極其棘手的難題：如何讓飛機擺脫對化石燃料的依賴，又不至于因為能源設備過于笨重而根本飛不起來？

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

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

然而，這個僵局最近被一項來自丹麥技術大學（DTU）的突破性研究打破了。

一支由材料科學家和機械工程師組成的跨學科團隊，從大自然中汲取靈感，運用前沿的3D打印技術，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。

這項發表在《自然·能源》雜志上的成果首次讓燃料電池的“比功率”（每克重量產生的功率）突破了1瓦/克的大關，達到了航空航天應用的門檻。

而且，可逆固體氧化物燃料電池支持在發電和儲能（電解）模式之間切換。當切換到電解水模式（將電能轉化為氫氣）時，其產氫速率更是達到傳統設計的近10倍。

傳統SOC（固體氧化物電池）多采用平面或管式二維結構，依賴金屬連接件和密封組件，導致系統重量大、體積笨重、結構復雜。

而在本次的技術突破中，研究人員開發出了單體化、無金屬連接件的SOC結構，顯著提升了其重量比功率、體積功率密度和穩定性。

這項技術的核心奧秘，藏在一個名為“陀螺體（Gyroid Geometry）”的奇妙幾何結構中。

當我們仔細觀察蝴蝶翅膀的微觀結構，或者某些海洋生物（如珊瑚）的外形構造時，可能會驚嘆于這些從自然界中誕生的“輕質高強度”技術。

圖說：蝴蝶翅膀上的天然螺旋結構（a）（b）

來源：DOI: 10.1126/sciadv.1600084

陀螺體是一種“三重周期極小曲面”，它在數學上可以被證明是在給定空間內實現最大表面積的最優結構之一。工程師們已經利用類似的原理設計了高效的熱交換器。

而DTU的研究團隊則是世界上首個被報道的成功將這種三維幾何結構應用于電化學能量轉換裝置（即燃料電池）的團隊。

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

這個框架本身既是離子傳導的電解質，又是支撐整個電池的堅固骨架。然后，他們通過濕化學涂覆技術，分別在框架的兩側“迷宮”通道內壁上涂上燃料電極和氧氣電極。

最終形成的電池是一個完整的陶瓷單體結構，沒有任何金屬連接件或密封材料——而這正是傳統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”設計帶來了革命性的優勢。

首先，它極其輕巧緊湊。陀螺體結構賦予了它無與倫比的比表面積，使得電化學反應可以在更小的體積內更高效地進行。

測試結果表明，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，首次達到航空航天應用所需的比功率指標。

這意味著，為同樣功率的設備提供能量，新型電池的重量和體積可以大幅縮減。

其次，它的性能異常強悍。該電池結構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。

當切換到電解水模式（將電能轉化為氫氣）時，其產氫速率更是達到傳統設計的近10倍。

同時，研究人員還對該電池進行了嚴苛的考驗：在100攝氏度的溫度劇烈波動下反復運行，并快速在發電模式和電解模式之間切換。

結果顯示，該陶瓷電池展現出了驚人的韌性，沒有出現任何結構損壞或分層跡象。這種動態穩定性對于實際應用至關重要，尤其是在工況復雜多變的航空航天環境中。

除了性能卓越，其制造過程也更為簡化。

傳統燃料電池堆棧需要幾十個制造步驟和多種材料，而這種單體陶瓷設計僅需三個主要步驟：3D打印、電極涂覆和共燒結。

這不僅降低了制造的復雜性，也為未來的定制化和現場生產提供了可能。

這項技術的潛力在太空探索領域顯得尤為可貴。

目前鋰電池和燃料電池在航空航天領域應用受限，但本次新型燃料電池設計改變了這一現狀——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驗”（MOXIE）為例，該設備目前需要依賴重達6噸多的傳統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，實現相同性能的設備重量有望降至800公斤以下。

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

展望未來，研究人員希望通過使用更薄的電解質、用銀或鎳等更便宜的材料替代鉑作為電流收集器，以及進一步優化結構，性能還有巨大的提升空間。

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