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研究背景

隨著可再生能源應(yīng)用的日益廣泛，能源存儲設(shè)備的需求變得愈加迫切，尤其是在小型便攜電子設(shè)備到大型能源存儲系統(tǒng)（如電動交通和電網(wǎng)儲能）等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的鋰離子電池（LIBs）已在滿足便攜式電子設(shè)備的能量需求方面取得顯著進(jìn)展，但它們在許多其他應(yīng)用中仍面臨能量密度、功率密度以及尺寸等方面的挑戰(zhàn)。為了解決這些問題，尤其是如何在更小的空間內(nèi)提供更高的能量密度和功率密度，同時保持快速充電、長循環(huán)壽命和安全性，新的電池技術(shù)如三維（3D）電池應(yīng)運而生。

與傳統(tǒng)的二維（2D）電池相比，3D電池通過在多個幾何平面上重疊電極和電解質(zhì)，充分利用第三維度的空間來提升電池的能量和功率密度。3D電池具有顯著的優(yōu)勢，例如通過減小電極之間的擴(kuò)散路徑來提高效率，并能更好地解耦能量密度與功率密度之間的固有權(quán)衡。然而，這種新型電池仍面臨著許多技術(shù)挑戰(zhàn)，尤其是在組件集成和均勻涂層控制等方面。因此，如何有效地將電池的各個組件整合到一個真正的3D架構(gòu)中，成為了該領(lǐng)域的一個重要課題。

成果簡介

為了解決這一問題，科羅拉多州立大學(xué)Kelly Nieto, Daniel S. Windsor，Amy L. Prieto等人在Nature Reviews Chemistry期刊上發(fā)表了題為“Performance metrics and mechanistic considerations for the development of 3D batteries”的最新綜述。

該團(tuán)隊對3D電池進(jìn)行了綜述研究，系統(tǒng)地回顧了當(dāng)前該領(lǐng)域的研究進(jìn)展，尤其是在電池組件（電極、電解質(zhì)和電流收集器）的設(shè)計與集成方面的創(chuàng)新。通過對3D電池的不同配置（如互鎖型、同心型和非周期型）進(jìn)行詳細(xì)討論，團(tuán)隊總結(jié)出各自的優(yōu)缺點，并針對不同應(yīng)用需求提出了適用的設(shè)計方案。

該團(tuán)隊通過采用先進(jìn)的材料系統(tǒng)和創(chuàng)新的制造工藝，如原子層沉積（ALD）和電鍍技術(shù)，顯著提高了3D電池的能量密度和功率密度，成功實現(xiàn)了更高的電池性能。此外，他們通過優(yōu)化電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計，減小了電極間的擴(kuò)散路徑，使得電池的充放電速度大幅提升，且在寬溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的性能。實驗結(jié)果表明，所開發(fā)的3D電池不僅具備了較傳統(tǒng)2D電池更高的能量和功率密度，還具備了良好的循環(huán)穩(wěn)定性和更短的充電時間，展示了其在未來交通運輸、電網(wǎng)儲能等領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。

研究亮點

（1）綜述總結(jié)了3D電池的發(fā)展現(xiàn)狀，探討了其在提高能量密度、功率密度、快速充電能力和安全性等方面的潛力，并指出3D電池是應(yīng)對當(dāng)前能源存儲設(shè)備挑戰(zhàn)的有前景的解決方案。

（2）綜述通過詳細(xì)分析3D電池的架構(gòu)類型（如互鎖型、電極同心型和非周期型），提出了3D電池如何通過增加組件的重疊平面，優(yōu)化電池的能量和功率密度。研究還討論了3D電池在集成多個組件時面臨的挑戰(zhàn)，特別是如何解決電極、電解質(zhì)和電流收集器之間的相互作用問題。

（3）綜述進(jìn)一步闡述了3D電池的研究進(jìn)展，尤其是在電極配置、電解質(zhì)材料及電池制造方法（如原子層沉積和電鍍法）方面的關(guān)鍵進(jìn)展。研究表明，3D電池的核心優(yōu)勢在于其能解耦能量和功率密度，從而有效提升電池整體性能。

（4）綜述最后提出了未來研究的方向，建議進(jìn)一步解決3D電池在制造過程中的一致性問題，并且開發(fā)適應(yīng)不同應(yīng)用需求的電池架構(gòu)，以推動商業(yè)化應(yīng)用。

圖文導(dǎo)讀

圖1: 2D和3D電池的幾何配置。

圖2: 面積放大因子（AEF）對能量和功率密度的影響。

圖3: 在3D電池開發(fā)中的機(jī)理和計算考慮。

圖4:利用凝膠電解質(zhì)，提升功率密度。

圖5:使用支架、離子凝膠和幾何因素，以增加能量密度。

圖6:使用3D打印更可控地調(diào)整幾何形狀和材料。

圖7:3D電池商業(yè)化的進(jìn)展。

總結(jié)展望

本文的科學(xué)啟迪在于，3D電池的研究不僅展示了傳統(tǒng)二維電池架構(gòu)的局限性，還指出了未來電池技術(shù)發(fā)展的潛力和挑戰(zhàn)。

首先，3D電池通過利用空間的第三維度，能夠有效增加電池的功率密度和能量密度，這為提升電池性能、滿足快速充電和大規(guī)模應(yīng)用的需求提供了新的思路。

其次，雖然3D電池的各個組件（如電極、固體電解質(zhì)和電流收集器）已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，但將這些組件有效集成并優(yōu)化以實現(xiàn)商業(yè)化仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。不同于二維電池，3D電池需要更為復(fù)雜的材料和工藝支持，這也對電池的制造工藝、材料選擇和界面管理提出了更高要求。

最后，盡管目前3D電池尚未超越二維鋰離子電池的整體性能，但隨著新型制造技術(shù)（如3D打印和電鍍）和計算方法的不斷進(jìn)步，未來3D電池將在多個應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的商業(yè)化潛力。

總的來說，3D電池為下一代能源存儲系統(tǒng)的發(fā)展提供了一個新的方向，強調(diào)了材料、工藝和系統(tǒng)集成之間的協(xié)同作用。

文獻(xiàn)信息

Nieto, K., Windsor, D.S., Vishnugopi, B.S. et al. Performance metrics and mechanistic considerations for the development of 3D batteries . Nat Rev Chem (2025).

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2025/01/08/0fa3615cf8/

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