研究背景
能源存儲設備是支持可再生能源應用、推動電動交通和智能電網等領域發展的關鍵技術，因其在提高能源利用效率、減少環境污染方面的巨大潛力，成為了當前的研究熱點。然而，傳統的能源存儲技術，如鋰離子電池（LIBs），雖已能夠滿足便攜式電子設備的需求，但在應對更廣泛應用，如電動交通、大規模電網存儲等方面，面臨著能量密度、功率密度、充電速度及安全性等多方面的挑戰。為了滿足未來能源需求，開發下一代高性能電池成為當務之急。當前的二維（2D）電池由于存在能量與功率密度之間的權衡，難以同時實現高能量密度和高功率密度，尤其是在減少電池體積的同時提高性能，仍是一個重大難題。有鑒于此， 3D電池技術作為解決這一問題的潛力方案，已成為研究的熱點。3D電池通過在多個幾何平面上集成電池的各個組件（如電極和電解質），可以有效提升電池的能量密度和功率密度，同時減小擴散路徑，解耦能量和功率的需求，克服了傳統2D電池的局限性。為此，科羅拉多州立大學Kelly Nieto, Daniel S. Windsor，Amy L. Prieto等人在“Nature Reviews Chemistry”期刊上發表了題為“Performance metrics and mechanistic considerations for the development of 3D batteries”的最新綜述。科學家在此領域做出了重要貢獻，綜述了3D電池的不同架構類型，如互鎖型、電極同心型和非周期型，并探討了它們在實際應用中的潛力。利用先進的材料系統和創新的制造方法，如原子層沉積（ALD）和電鍍等，這些研究顯著提高了3D電池的性能，特別是在功率密度、能量密度和循環壽命方面，取得了許多成功的實驗結果。 目前，盡管3D電池技術取得了長足的進展，但在集成各個組件和優化電池整體性能方面仍面臨不少挑戰。隨著研究的深入，科學家們正致力于解決這些瓶頸，推動3D電池向商業化應用邁進。通過進一步的理論研究和實驗探索，未來有望實現高能量密度、高功率密度、快速充電及寬溫度工作范圍等多重性能的最佳平衡，最終滿足未來能源存儲的需求。
綜述亮點
（1）綜述總結了3D電池的發展現狀，重點介紹了其在提高能量密度、功率密度、充電速度和安全性等方面的潛力。3D電池通過創新的電池架構，克服了傳統二維電池在性能提升中的固有權衡問題，能夠在多個幾何平面上整合電池組件，從而提高能量和功率密度，且減小了電極間的擴散路徑。綜述還定義了3D電池的幾種主要類型，包括互鎖型、電極同心型和非周期型，并討論了它們的制造方法和應用領域。 （2）綜述通過分析現有研究，揭示了3D電池在實際應用中的關鍵挑戰和機遇。首先，3D電池的制造技術存在一定的難度，特別是在創建均勻涂層和控制界面電阻方面，選用不同制造方法會導致性能差異。（3）綜述指出，盡管已有許多進展，但當前的3D電池仍需在電極、電解質和電流收集器的協同作用方面進一步優化。綜述強調，未來的3D電池應通過更高效的組件整合和創新的設計，克服現有的瓶頸，以推動電池性能的提升，并為實際應用（如交通運輸、能源存儲等）提供更具競爭力的解決方案。
圖文解讀
圖2: 面積放大因子（AEF）對能量和功率密度的影響。
圖3: 在3D電池開發中的機理和計算考慮。圖5:使用支架、離子凝膠和幾何因素，以增加能量密度。
總結展望
隨著能源存儲需求的快速增長，特別是在便攜式電子設備、電動交通工具以及電網儲能等領域，傳統的二維鋰離子電池（LIB）已逐漸接近性能極限，亟需突破性創新。3D電池作為一種新的發展方向，憑借其能夠在多個幾何平面上疊加組件，具備更高的能量密度和功率密度，展現了突破二維電池瓶頸的巨大潛力。通過優化3D電池的各個組件（如電極、固體電解質、當前集電體等）的協同工作，未來可以有效減少界面阻力和機械降解，解決現有技術中的多個瓶頸，推動電池性能的全面提升。然而，3D電池的商用化進程仍面臨許多挑戰，特別是在材料、工藝和接口的優化上，且需要從基礎研究向更高級的工藝工程過渡。未來的發展應聚焦于如何實現3D電池的高效集成，并通過先進的制造方法如3D打印、原子層沉積等技術來促進其在實際應用中的推廣。通過這些創新，3D電池技術有望在多個行業中創造新的應用場景，推動能源存儲技術向更高效、可持續的方向發展。 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). https://doi.org/10.1038/s41570-024-00659-2
