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研究背景

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

與傳統的二維（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，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電池具有顯著的優勢，例如通過減小電極之間的擴散路徑來提高效率，并能更好地解耦能量密度與功率密度之間的固有權衡。然而，這種新型電池仍面臨著許多技術挑戰，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架構中，成為了該領域的一個重要課題。

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。

該團隊對3D電池進行了綜述研究，系統地回顧了當前該領域的研究進展，尤其是在電池組件（電極、電解質和電流收集器）的設計與集成方面的創新。通過對3D電池的不同配置（如互鎖型、同心型和非周期型）進行詳細討論，團隊總結出各自的優缺點，并針對不同應用需求提出了適用的設計方案。

該團隊通過采用先進的材料系統和創新的制造工藝，如原子層沉積（ALD）和電鍍技術，顯著提高了3D電池的能量密度和功率密度，成功實現了更高的電池性能。此外，他們通過優化電池的結構設計，減小了電極間的擴散路徑，使得電池的充放電速度大幅提升，且在寬溫度范圍內保持穩定的性能。實驗結果表明，所開發的3D電池不僅具備了較傳統2D電池更高的能量和功率密度，還具備了良好的循環穩定性和更短的充電時間，展示了其在未來交通運輸、電網儲能等領域的廣闊應用前景。

研究亮點

（1）綜述總結了3D電池的發展現狀，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電池是應對當前能源存儲設備挑戰的有前景的解決方案。

（2）綜述通過詳細分析3D電池的架構類型（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，特別是如何解決電極、電解質和電流收集器之間的相互作用問題。

（3）綜述進一步闡述了3D電池的研究進展，尤其是在電極配置、電解質材料及電池制造方法（如原子層沉積和電鍍法）方面的關鍵進展。研究表明，3D電池的核心優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，建議進一步解決3D電池在制造過程中的一致性問題，并且開發適應不同應用需求的電池架構，以推動商業化應用。

圖文導讀

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電池開發中的機理和計算考慮。

圖4:利用凝膠電解質，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打印更可控地調整幾何形狀和材料。

圖7:3D電池商業化的進展。

總結展望

本文的科學啟迪在于，3D電池的研究不僅展示了傳統二維電池架構的局限性，還指出了未來電池技術發展的潛力和挑戰。

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模應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、固體電解質和電流收集器）已經取得了一定進展，但將這些組件有效集成并優化以實現商業化仍然面臨巨大挑戰。不同于二維電池，3D電池需要更為復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（如3D打印和電鍍）和計算方法的不斷進步，未來3D電池將在多個應用領域展現出巨大的商業化潛力。

總的來說，3D電池為下一代能源存儲系統的發展提供了一個新的方向，強調了材料、工藝和系統集成之間的協同作用。

文獻信息

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).

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IF=38.1！3D電池，Nature Reviews Chemistry！

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