《Joule》：Engineering battery architectures for multifunctionality and high performance
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摘要下一代电池需要突破传统锂离子电池（LIB）仅凭电化学设计局限的架构创新。本综述总结了锂离子电池及新兴电池系统的架构设计策略，将其分为一维纤维基、二维平面和三维架构。一维设计，如同轴纤维、绞合组装和缠绕构型，为可穿戴和微型电池提供了柔韧性和机械韧性。二维架构，包括互指式、柱
摘要
下一代电池需要突破传统锂离子电池（LIB）仅凭电化学设计局限的架构创新。本综述总结了锂离子电池及新兴电池系统的架构设计策略，将其分为一维纤维基、二维平面和三维架构。一维设计，如同轴纤维、绞合组装和缠绕构型，为可穿戴和微型电池提供了柔韧性和机械韧性。二维架构，包括互指式、柱式和网状框架，以及可变形（蛇形和折纸/剪纸）和仿生（例如手风琴状）几何结构，在保持电化学性能的同时增强了延展性和柔韧性。三维结构电池侧重于体积设计和能量密化，探讨了其在结合机械韧性与电化学功能方面的潜力。每一架构类别均从设计原则、性能权衡和制造可行性方面进行评估。通过将架构设计与增材制造的进展相关联，本综述概述了应对电-化学-机械耦合挑战的途径，并指导下一代架构电池的开发。
章节摘要
引言：从化学驱动设计到架构电池
过去三十年中，锂离子电池（LIB）彻底改变了便携电子产品和电气化交通，然而对多功能和结构复杂能源系统的需求日益增长，迫切需要创新的制造策略。1,2,3 增材制造作为一种强大的平台，能够高精度且灵活地制造架构设计，从而提升电化学性能并扩展功能。架构材料展现出独特的
一维架构：同轴、绞合与缠绕纤维电池
由于独特的几何特征，一维电池设计能够有效地适应弯曲、拉伸和扭转等机械变形。一维结构设计通常分为三类：同轴纤维、绞合纤维和缠绕纤维架构。31 迄今为止，这些架构电池设计已在多种电池系统中得到验证，包括锂离子电池、锂-空气电池、锂-硫（Li-S）电池、固态电池和锌离子电池（ZIB）。
二维架构：多孔框架与可变形设计
二维架构电池在x-y平面内呈现周期性几何图案，通过逐层垂直堆叠构建。此构型兼容大多数增材制造平台，但分辨率仍受最小可打印特征尺寸的制约。两种电-化学-机械（ECM）设计策略已被探索：（1）功能框架（例如网格和网状几何结构），通过工程化孔隙率和几何周期性来促进离子传输并缓解化学诱导的
三维架构电池设计
通过在全部三个空间维度上实现结构排列，三维架构电池能够减少电极间距、增加电极-电解质接触面积并提高堆积密度。104,105,106,107,108 关于三维结构电池电极的早期基础性工作，包括模板法制造、电沉积和原子层沉积（ALD）保形涂层，证实了非平面几何形状可以将面积能量密度与功率密度解耦，如相关综述文献所述。109,110,
架构电池中的电-化学-机械（ECM）耦合
电-化学-机械（ECM）耦合源于电池循环过程中三个物理场之间的内在相互依存关系：离子传输、电化学相变和机械应力/应变演化。117,118,119 锂化引起的体积膨胀产生内应力，导致活性颗粒开裂、界面相（SEI）失稳并驱动界面分层，这些反过来又改变局部Li+化学势和离子扩散动力学，形成退化反馈回路，
AI驱动的架构电池设计优化
人工智能（AI）辅助的机器学习（ML）已广泛应用于材料筛选（例如固体电解质）和性能预测。126,127 此外，AI/ML也被探索用于架构材料的开发，主要在力学领域128,129，也涵盖架构电池设计。130
最近，一项研究利用三维伪四维DFN模型系统比较了平板、晶格、互指式和TPMS电极，将几何描述符如特征
结论
下一代电池的快速发展推动了超越传统锂离子电池的结构创新。本综述将电池结构设计分类为多个维度，重点介绍了架构电极和电芯架构的最新进展，并强调了其制造策略、机械适应性和电化学性能。一维结构电池，包括同轴纤维、绞合纤维组装和缠绕架构，
架构电池的挑战与展望
尽管架构电池结构为提升机械鲁棒性及能量和功率密度提供了有前景的途径，但其实际应用仍受限于材料集成、组装、稳定性和性能方面的挑战，亟需进一步努力以促进架构电池的实用化应用。
致谢
本文材料基于美国国家科学基金会工程司化学、生物工程、环境和运输系统（CBET）电化学系统项目的支持，CAREER资助（编号：2047460）。Y.C.感谢NSF CMMI材料与结构力学项目的资助（资助编号2618815）。J.N.感谢副部级长关键矿产与能源创新（CMEI）办公室的支持
Man Chen|Xiaolin Guo|Yanyu Chen|Karim Zaghib|Jagjit Nanda|Hui Wang
美国路易斯维尔大学机械工程系，路易斯维尔市，肯塔基州40292，美国
