摘要：随着可再生能源应用的日益广泛，能源存储设备的需求变得愈加迫切，尤其是在小型便携电子设备到大型能源存储系统（如电动交通和电网储能）等领域。传统的锂离子电池（LIBs）已在满足便携式电子设备的能量需求方面取得显著进展，但它们在许多其他应用中仍面临能量密度、功率密度

研究背景

随着可再生能源应用的日益广泛，能源存储设备的需求变得愈加迫切，尤其是在小型便携电子设备到大型能源存储系统（如电动交通和电网储能）等领域。传统的锂离子电池（LIBs）已在满足便携式电子设备的能量需求方面取得显著进展，但它们在许多其他应用中仍面临能量密度、功率密度以及尺寸等方面的挑战。为了解决这些问题，尤其是如何在更小的空间内提供更高的能量密度和功率密度，同时保持快速充电、长循环寿命和安全性，新的电池技术如三维（3D）电池应运而生。

与传统的二维（2D）电池相比，3D电池通过在多个几何平面上重叠电极和电解质，充分利用第三维度的空间来提升电池的能量和功率密度。3D电池具有显著的优势，例如通过减小电极之间的扩散路径来提高效率，并能更好地解耦能量密度与功率密度之间的固有权衡。然而，这种新型电池仍面临着许多技术挑战，尤其是在组件集成和均匀涂层控制等方面。因此，如何有效地将电池的各个组件整合到一个真正的3D架构中，成为了该领域的一个重要课题。

成果简介

为了解决这一问题，科罗拉多州立大学Kelly Nieto, Daniel S. Windsor，Amy L. Prieto等人在Nature Reviews Chemistry期刊上发表了题为“Performance metrics and mechanistic considerations for the development of 3D batteries”的最新综述。

该团队对3D电池进行了综述研究，系统地回顾了当前该领域的研究进展，尤其是在电池组件（电极、电解质和电流收集器）的设计与集成方面的创新。通过对3D电池的不同配置（如互锁型、同心型和非周期型）进行详细讨论，团队总结出各自的优缺点，并针对不同应用需求提出了适用的设计方案。

该团队通过采用先进的材料系统和创新的制造工艺，如原子层沉积（ALD）和电镀技术，显著提高了3D电池的能量密度和功率密度，成功实现了更高的电池性能。此外，他们通过优化电池的结构设计，减小了电极间的扩散路径，使得电池的充放电速度大幅提升，且在宽温度范围内保持稳定的性能。实验结果表明，所开发的3D电池不仅具备了较传统2D电池更高的能量和功率密度，还具备了良好的循环稳定性和更短的充电时间，展示了其在未来交通运输、电网储能等领域的广阔应用前景。

研究亮点

（1）综述总结了3D电池的发展现状，探讨了其在提高能量密度、功率密度、快速充电能力和安全性等方面的潜力，并指出3D电池是应对当前能源存储设备挑战的有前景的解决方案。

（2）综述通过详细分析3D电池的架构类型（如互锁型、电极同心型和非周期型），提出了3D电池如何通过增加组件的重叠平面，优化电池的能量和功率密度。研究还讨论了3D电池在集成多个组件时面临的挑战，特别是如何解决电极、电解质和电流收集器之间的相互作用问题。

（3）综述进一步阐述了3D电池的研究进展，尤其是在电极配置、电解质材料及电池制造方法（如原子层沉积和电镀法）方面的关键进展。研究表明，3D电池的核心优势在于其能解耦能量和功率密度，从而有效提升电池整体性能。

（4）综述最后提出了未来研究的方向，建议进一步解决3D电池在制造过程中的一致性问题，并且开发适应不同应用需求的电池架构，以推动商业化应用。

图文导读

图1: 2D和3D电池的几何配置。

图2: 面积放大因子（AEF）对能量和功率密度的影响。

图3: 在3D电池开发中的机理和计算考虑。

图4:利用凝胶电解质，提升功率密度。

图5:使用支架、离子凝胶和几何因素，以增加能量密度。

图6:使用3D打印更可控地调整几何形状和材料。

图7:3D电池商业化的进展。

总结展望

本文的科学启迪在于，3D电池的研究不仅展示了传统二维电池架构的局限性，还指出了未来电池技术发展的潜力和挑战。

首先，3D电池通过利用空间的第三维度，能够有效增加电池的功率密度和能量密度，这为提升电池性能、满足快速充电和大规模应用的需求提供了新的思路。

其次，虽然3D电池的各个组件（如电极、固体电解质和电流收集器）已经取得了一定进展，但将这些组件有效集成并优化以实现商业化仍然面临巨大挑战。不同于二维电池，3D电池需要更为复杂的材料和工艺支持，这也对电池的制造工艺、材料选择和界面管理提出了更高要求。

最后，尽管目前3D电池尚未超越二维锂离子电池的整体性能，但随着新型制造技术（如3D打印和电镀）和计算方法的不断进步，未来3D电池将在多个应用领域展现出巨大的商业化潜力。

总的来说，3D电池为下一代能源存储系统的发展提供了一个新的方向，强调了材料、工艺和系统集成之间的协同作用。

文献信息

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).

来源：MS杨站长