固态氧化物电池，Nature Energy！

米测MeLab

2025-07-24

研究背景

固态氧化物电池（Solid Oxide Cells，简称SOC）能够高效地实现化学能与电能的相互转换。然而，现有的SOC设计和制造主要局限于二维结构。平面型SOC堆栈需要复杂的多材料组件，导致结构紧凑性降低且单位重量功率较低。

为了解决这一问题，丹麦技术大学Venkata K. Nadimpalli & Vincenzo Esposito团队的Zhipeng Zhou等人携手在“Nature Energy”期刊上发表了题为“Monolithic gyroidal solid oxide cells by additive manufacturing”的最新论文。本文突破二维设计范式，采用基于三重周期最小曲面结构的真实三维设计，实现了在重量和体积上的优越性能。利用增材制造的高分辨率和精确度，作者制备了单片整体的旋转曲面型SOC，消除了对金属互连件和密封组件的需求。

该单体结构实现了空间利用率的最优化，展现出优异的单位质量性能指标、简便的制造流程以及高电化学和热机械稳定性。在燃料电池模式下，单位质量功率和体积功率密度超过1瓦特每克和3瓦特每立方厘米；在电解模式下，单位质量和体积的产氢速率分别约为7×10^(-4)标准立方米每小时每克和2×10^(-3)标准立方米每小时每立方厘米，相较传统平面堆栈提升近十倍。

研究亮点

（1）实验首次设计并制造了基于三重周期最小曲面（gyroid）结构的单体三维固态氧化物电池（SOC），成功消除了传统SOC中对金属互连件和密封组件的依赖，显著简化了制造工艺。

（2）实验通过高分辨率的陶瓷增材制造技术，实现了三维单体SOC的精确成型和致密烧结。结果表明：

• 该三维SOC结构有效提升了空间利用率，单位质量功率超过1瓦特每克，单位体积功率密度达到3瓦特每立方厘米，较传统二维平面堆栈提升近十倍。

• 在电解模式下，产氢速率达到约7×10^(-4)标准立方米每小时每克和2×10^(-3)标准立方米每小时每立方厘米，显示出优异的能量转换效率。

• 该结构展现出优异的电化学稳定性和热机械稳定性，适合长时间高温运行。

• 力学性能良好，保证了系统的耐用性和可靠性。

图文解读

图1：平面型与三维固态氧化物电池（SOC）对比。

图2：三维SOC的结构表征。

图3：三维SOC的电化学性能。

图4：稳定性测试。

图5：力学性能。

结论展望

本文通过突破传统二维设计范式，提出并实现了基于三重周期最小曲面结构的三维单体固态氧化物电池（SOC），在结构紧凑性、轻量化和性能提升方面取得显著进展。研究表明，三维整体式设计不仅有效消除了对金属互连件和密封组件的依赖，极大降低了器件重量和复杂度，还显著提升了单位质量和单位体积的功率密度，燃料电池和电解模式下性能均提升近十倍。

这一创新设计优化了空间利用率，提高了电化学和热机械稳定性，为实现高效、稳定且可扩展的SOC系统提供了新思路。此外，增材制造技术的应用使得复杂三维结构的精准制造成为可能，进一步推动了SOC从实验室向实际应用的转变。本文揭示了通过几何结构优化与先进制造相结合，能够有效突破传统材料和工艺瓶颈，为未来能源转换器件设计提供了范式转变和技术支撑，具有重要的科学价值和广泛的应用前景。

原文详情：

Zhou, Z., Lalwani, A.R., Sun, X. et al. Monolithic gyroidal solid oxide cells by additive manufacturing. Nat Energy (2025). 

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