與傳統結構的電池相比，3D電池在電化學離子傳輸動力學方面具有明顯優勢。然而，由于特殊的電極配置和制造復雜性，3D電池設計存在固有的機械穩定性問題，僅在微系統中取得成功，遠非理想。

上海科技大學劉巍等設計了一種由并聯微電池陣列組成的高穩定性、一體化結構的3D鋰金屬電池。

圖1 一體式結構化LMB與傳統LMB之間的比較

3D電池包括鋰金屬負極、液態電解液和正極材料在內的所有組件都嵌入到一個甘蔗衍生框架的微管中，形成平行的微電池陣列，不同于傳統的三層鋰金屬電池。天然甘蔗中連續、垂直排列的微通道在整個電化學系統中提供了直接、非曲折的離子傳輸路徑，這不僅使鋰離子通量均勻化并限制了鋰金屬的體積波動，而且還可促進正極中的離子傳輸動力學。

此外，作為一種有用的框架，具有蜂窩狀形態的甘蔗被證明具有高孔隙率和高機械強度，以及結構自恢復能力。良好的機械性能和斷面的竹狀微觀結構可避免電池短路并確保其在實際使用中的穩定性。

圖2 甘蔗作為多功能載體的應用

通過簡單的自吸收工藝，可以直接以高面積質量負載涂覆各種正極材料，包括LiCoO₂(LCO)、LiFePO₄(LFP)和LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂(NCM811)。值得注意的是，由于甘蔗骨架的超高孔隙率（92.5-96.8%）且強機械穩定性，器件中的非活性組分保持在低質量分數（<20 wt%）。全電池水平的快速離子傳輸動力學不僅可以解決負極鋰枝晶的關鍵問題，還可以提高正極的電化學性能。

結果，所得鋰金屬負極在10 mA cm^-2的高電流密度下獲得了1000次循環壽命的長期穩定性。并且，所得到的基于LFP的鋰金屬電池在1.2 mA cm^-2的電流密度下顯示出10.4 mAh cm^-2的高面積能量密度，與傳統電池相比，其倍率性能和循環穩定性均有所提高。

圖3 全電池性能

All-in-One Structured Lithium-Metal Battery. Advanced Science 2022. DOI: 10.1002/advs.202200547