研究背景
能源存储设备是支持可再生能源应用、推动电动交通和智能电网等领域发展的关键技术，因其在提高能源利用效率、减少环境污染方面的巨大潜力，成为了当前的研究热点。然而，传统的能源存储技术，如锂离子电池（LIBs），虽已能够满足便携式电子设备的需求，但在应对更广泛应用，如电动交通、大规模电网存储等方面，面临着能量密度、功率密度、充电速度及安全性等多方面的挑战。为了满足未来能源需求，开发下一代高性能电池成为当务之急。当前的二维（2D）电池由于存在能量与功率密度之间的权衡，难以同时实现高能量密度和高功率密度，尤其是在减少电池体积的同时提高性能，仍是一个重大难题。有鉴于此， 3D电池技术作为解决这一问题的潜力方案，已成为研究的热点。3D电池通过在多个几何平面上集成电池的各个组件（如电极和电解质），可以有效提升电池的能量密度和功率密度，同时减小扩散路径，解耦能量和功率的需求，克服了传统2D电池的局限性。为此，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。科学家在此领域做出了重要贡献，综述了3D电池的不同架构类型，如互锁型、电极同心型和非周期型，并探讨了它们在实际应用中的潜力。利用先进的材料系统和创新的制造方法，如原子层沉积（ALD）和电镀等，这些研究显著提高了3D电池的性能，特别是在功率密度、能量密度和循环寿命方面，取得了许多成功的实验结果。 目前，尽管3D电池技术取得了长足的进展，但在集成各个组件和优化电池整体性能方面仍面临不少挑战。随着研究的深入，科学家们正致力于解决这些瓶颈，推动3D电池向商业化应用迈进。通过进一步的理论研究和实验探索，未来有望实现高能量密度、高功率密度、快速充电及宽温度工作范围等多重性能的最佳平衡，最终满足未来能源存储的需求。
综述亮点
（1）综述总结了3D电池的发展现状，重点介绍了其在提高能量密度、功率密度、充电速度和安全性等方面的潜力。3D电池通过创新的电池架构，克服了传统二维电池在性能提升中的固有权衡问题，能够在多个几何平面上整合电池组件，从而提高能量和功率密度，且减小了电极间的扩散路径。综述还定义了3D电池的几种主要类型，包括互锁型、电极同心型和非周期型，并讨论了它们的制造方法和应用领域。 （2）综述通过分析现有研究，揭示了3D电池在实际应用中的关键挑战和机遇。首先，3D电池的制造技术存在一定的难度，特别是在创建均匀涂层和控制界面电阻方面，选用不同制造方法会导致性能差异。（3）综述指出，尽管已有许多进展，但当前的3D电池仍需在电极、电解质和电流收集器的协同作用方面进一步优化。综述强调，未来的3D电池应通过更高效的组件整合和创新的设计，克服现有的瓶颈，以推动电池性能的提升，并为实际应用（如交通运输、能源存储等）提供更具竞争力的解决方案。
图文解读
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5:使用支架、离子凝胶和几何因素，以增加能量密度。
总结展望
随着能源存储需求的快速增长，特别是在便携式电子设备、电动交通工具以及电网储能等领域，传统的二维锂离子电池（LIB）已逐渐接近性能极限，亟需突破性创新。3D电池作为一种新的发展方向，凭借其能够在多个几何平面上叠加组件，具备更高的能量密度和功率密度，展现了突破二维电池瓶颈的巨大潜力。通过优化3D电池的各个组件（如电极、固体电解质、当前集电体等）的协同工作，未来可以有效减少界面阻力和机械降解，解决现有技术中的多个瓶颈，推动电池性能的全面提升。然而，3D电池的商用化进程仍面临许多挑战，特别是在材料、工艺和接口的优化上，且需要从基础研究向更高级的工艺工程过渡。未来的发展应聚焦于如何实现3D电池的高效集成，并通过先进的制造方法如3D打印、原子层沉积等技术来促进其在实际应用中的推广。通过这些创新，3D电池技术有望在多个行业中创造新的应用场景，推动能源存储技术向更高效、可持续的方向发展。 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
