综述：设计具有多功能性和高性能的电池架构

《Joule》：Engineering battery architectures for multifunctionality and high performance

　　

背景与规模

人们越来越期望电池具备多功能性。除了储存能量外，它们还必须能够弯曲、伸展、变形或承受机械载荷，以满足可穿戴电子设备、机器人技术和结构系统的需求。传统的锂离子电池主要基于电化学原理设计，难以同时满足这些相互矛盾的要求，这促使人们开始转向结构工程作为下一代电池的新设计范式。

本综述将类似纤维的一维设计、平面且可变形的二维框架以及三维结构整合到一个统一的框架中，分析每种结构如何平衡离子传输、电化学性能和机械韧性之间的关系。在此框架内，综述评估了这些电化学-机械（ECM）方面的权衡，包括灵活性、能量密度、循环稳定性和制造可行性。

展望未来，我们确定了推动该领域发展的三大关键重点：从经验性的结构选择转向人工智能（AI）辅助的逆向设计和多物理场优化；明确机械应力与电化学降解在重复循环和变形过程中的相互作用；以及将实验室规模的示范与可扩展、标准化且经过安全验证的制造工艺相结合。在这些方面的进展将为多功能应用的电池设计提供指导。

摘要

下一代电池需要实现架构创新，以克服传统锂离子电池（LIBs）仅靠电化学原理所面临的设计限制。本综述总结了LIBs和新兴电池系统的架构设计策略，并将它们分为一维纤维结构、二维平面结构和三维结构三类。一维设计（如同轴纤维、扭绞组装和缠绕配置）为可穿戴设备和微型电池提供了灵活性和机械韧性；二维结构（包括交错排列的框架、基于柱状的框架以及网格结构）以及可变形结构（如蛇形和剪纸/Kirigami几何形状）在保持电化学性能的同时增强了延展性和灵活性；三维结构电池则专注于体积设计和能量密度提升，探讨了它们将机械韧性与电化学功能相结合的潜力。每种结构类型都对其设计原理、性能权衡以及制造可行性进行了评估。通过将架构设计与增材制造的进步相结合，本综述为解决电化学-机械耦合问题并指导下一代电池的设计提供了方向。

图形摘要