3D打印SOC电池性能暴涨10倍后，火星探索成本骤降？

AM易道学术分享

当丹麦技术大学团队在Nature Energy上发表他们的3D打印固体氧化物电池研究时，NASA的工程师们可能没想到，这个实验室突破，有可能改写火星任务的经济账本。

问题的核心在于重量。

NASA目前规划的火星氧气生产系统（MOXIE项目升级版）需要6400公斤的设备重量，仅发射成本就高达6.4亿美元。

而丹麦团队的TPMS结构SOC电池技术显示，同等性能的系统重量可能降至800公斤，发射成本随之估算下降到8000万美元。

这种8倍以上的重量和体积减少，意味着数亿美元的成本节约。

这个复杂精巧的三重周期最小曲面（TPMS）3D打印结构，在我们看来，是固体氧化物燃料电池领域的一次新突破。

在燃料电池模式下，这个结构SOC实现了超过1W/g的比功率和3W/cm³的体积功率密度。在电解模式下，质量指标和体积指标的氢气产率分别达到约7×10⁻⁴ Nm³/h/g和2×10⁻³ Nm³/h/cm³。 Monolithic gyroidal solid oxide cells by additive manufacturing

我们先来理解一下这个突破的技术背景。

固体氧化物燃料电池长期以来被困在2D设计范式里，就像我们习惯性地把房子建成方方正正的盒子。

传统SOC堆叠需要复杂的多材料组件，金属互连件和密封组件占据了超过75%的堆叠重量，这严重限制了功率密度并增加了结构复杂性。

让我们来细聊一下这篇Nature子刊文章是如何通过陶瓷3D打印来提升SOC的性能的。

AM易道对于该文章的许多表述已脱离原文章的原始技术表述，有大量原创和解读创作成分，如需要了解更多硬核技术内容，请自行阅读原文。

DLP光固化如何打印出Gyroid迷宫

研究团队采用的核心技术是数字光处理（DLP）增材制造系统。这套由丹麦技术大学自主开发的系统像素尺寸达到7.54微米，能够精确构造陶瓷浆料结构。

材料配比是：将8mol%氧化钇稳定氧化锆（8YSZ）粉末与光敏树脂、分散剂等混合制成浆料，其中8YSZ粉末体积分数为37%。

打印参数也很讲究。

前15层使用42 mJ/cm²的光能量输入确保与构建平台的牢固结合，后续特征层采用36 mJ/cm²维持高分辨率。

单层厚度设定为10微米，这个精度对于构建复杂的TPMS结构至关重要。

如图1所示，这种三重周期最小曲面（TPMS）结构基于对称性，数学表达式为：sin(x)cos(y) + sin(y)cos(z) + sin(z)cos(x) = 0。

曲面是零平均曲率的均匀平衡曲面，将空间分为两个独立的子体积，形成由弯曲薄壁分隔的两个独立通道。

从清洗到烧结：工艺链条的关键环节

打印完成后的处理工艺同样关键。

样品需要在40°C、37kHz频率的LithaSol 20清洗剂中彻底清洗，每5分钟更换清洗剂并冲洗样品，直到观察不到白色8YSZ浆料为止。

这个步骤实际上决定了内部通道的通畅性。

脱脂和烧结过程在Sandberg室式炉中进行，最高工作温度1700°C。

整个热处理过程需要连续通风，自由烧结，空气气氛下进行。

值得注意的是，样品烧结后的相对密度达到标称密度的99%，与商业8YSZ陶瓷板相当。

电极制备采用湿化学涂覆技术。燃料电极使用NiO-YSZ（质量比1:1），氧电极采用LSM-YSZ（质量比1:1）。

研究团队设计了气流辅助湿涂覆方法：首先通过注射将浆料填入通道，然后用气枪施加5bar的持续压力气流，将通道中的剩余浆料排出。

这个过程需要在不同入口重复操作，直到观察不到排出的浆料。

从图2的结构表征可以看出，烧结后的Gyroid电解质厚度约为140微米，与基于先前测量的X或Y方向收缩率计算值148微米非常接近。

X射线微计算机断层扫描显示内部气体通道清晰可见，没有发现裂纹和分层等穿透性缺陷。

电化学性能：数据背后的技术突破

图3展示的电化学测试结果相当亮眼。

在900°C下，3D SOC在燃料电池模式下实现超过450 mW/cm²的面积功率密度，在电解模式下超过650 mA/cm²的电流密度。

阻抗谱测试显示出定义良好的半圆弧，表明电极与电解质之间的高质量结合界面。

更重要的是长期稳定性表现。

如图4所示，在恒流模式下运行数百小时，3D SOC展现出卓越的可靠稳定运行能力。

SOC电池模式下面积比电阻增加约11%，电解模式下增加约8%，这个降解率与相同材料制成的SOC在类似测试条件下的表现相当。

动态稳定性测试结果也很优秀。

系统可以在电池和电解模式之间每10小时切换一次，经过五个循环后仍能在恒流控制下保持稳定的电解运行。

机械性能优化：从应力分布到结构设计

机械稳定性是SOC实用化的关键因素。

传统电解质支撑平面SOC通常需要≥200微米的厚电解质来确保机械强度，但厚电解质限制了电化学性能。

图5的机械性能测试显示了3D打印Gyroid结构的优异之处。

148微米厚的Gyroid元件在没有外壳的情况下，具有与封闭220微米厚外壳相当的高机械抗压性。

AM易道认为，这种设计的精妙在于应力分布的均匀性。

与传统SOC或3D打印波纹SOC相比，TPMS结构在数学上具有每点零平均曲率的特征，从而确保了大3D空间中的均匀应力分布，而不是在受约束的2D或2.5D表面上。

商业化前景

研究显示，通过集成独立单体可以实现3D SOC堆叠的规模化，NASA火星项目目前计划部署总重6400公斤、体积6600升的平面电解堆叠来为火星人类活动产生氧气。

如果采用3D SOC堆叠，同等性能的设备重量和体积可能降至800公斤和700升范围。

重量体积均为传统方法的约1/8，这将带来航天载重的骤降，意味着极致降本。

从制造工艺角度看，3D SOC制造流程相比传统堆叠技术大幅简化，只需三个主要步骤：增材制造、电极涂覆和烧结/共烧结。

材料成本控制也值得关注。研究表明，随着电解质厚度进一步减少和工作温度降低，比铂便宜的银和镍变得可行。

这将进一步降低系统成本，提高商业竞争力。

陶瓷3D打印能源器件可行性

从这项研究中，我们看到了陶瓷3D打印在高端能源器件制造中的巨大潜力。

从2D到真正的3D设计，空间利用率的极大提升，这种思路完全可以推广到其他电化学器件。

技术路径方面，DLP光固化3D打印在精密陶瓷制造中展现出的精度和可重复性对应用需求来说是足够的。

7.54微米的像素尺寸，配合精确的曝光控制，已经能够满足复杂功能器件的制造需求。

这为陶瓷3D打印在高端应用领域提供了新思路。

产业化角度看，成本结构相对清晰。

设备投入主要集中在DLP打印设备和后处理设备上，材料成本主要是陶瓷粉末和光敏树脂。

写在最后：技术突破背后的产业思考

本文的减重变化背后折射的是设计思维的转变。

传统制造业习惯于在现有约束条件下优化，而3D打印让我们有机会重新定义约束条件本身。

不是在平面基础上做增量改进，而是彻底用新逻辑利用三维空间。

从1W/g的比功率到5.6亿美元的成本节约，这条路径有着清晰技术脉络的现实可能。

让我们梳理一下这个逻辑链条：

TPMS结构优化→空间利用率提升→单位重量性能提升→系统总重量下降→发射成本减少→任务经济性改善。

每一个环节都有具体的数据支撑，每一步推导都基于已验证的技术原理。

当然，从实验室的2.53cm²有效面积到火星任务所需的大规模系统，中间还有巨大的工程化鸿沟。

电极涂覆的均匀性控制、长期运行的可靠性验证、极端环境下的性能稳定性，这些都是必须解决的现实问题。

火星探索成本的骤降不会在明天发生，但当它发生时，这个小小3D打印陶瓷结构，很可能就是改变进程的起点。

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