便携式电子产品、电动汽车、低空航空系统和大規模能源存储的需求正在推动电化学储能技术向更高能量密度、增强安全性、更长循环寿命和更宽工作温度范围发展[[1], [2], [3], [4]]。尽管锂离子电池取得了商业成功，但其能量密度正接近插层型电极材料的实际极限。用固态电解质替代液态电解质并将其与锂金属负极耦合，因无液态电解质泄漏风险而引起了广泛关注[[5], [6], [7]]。固态锂金属电池（SSLMBs）将固态电解质、锂金属负极和高容量正极集成在一起，使其成为具有改善热稳定性和电化学稳定性的高能量密度电池[[8], [9], [10]]。
尽管有上述优势，SSLMBs仍表现出电池各组件中缓慢的离子传输动力学[[11], [12], [13]]。无机固态电解质可能具有较高的体相离子电导率，但其刚性特性通常导致较差的固-固电极接触、界面空隙和较大的界面阻力[[14], [15], [16]]。晶界、表面分解和机械不匹配可能进一步阻碍锂离子传输[[17], [18], [19]]。聚合物电解质具有更好的柔韧性、加工性和界面润湿性，促进了电极/电解质间的紧密接触[[20], [21], [22]]。聚合物中的锂离子传输依赖于聚合物链的段运动，这限制了室温离子电导率[23,24]。有机-无机复合电解质结合了陶瓷相的高离子电导率和聚合物的界面相容性[[25], [26], [27]]。然而，均匀的填料分散、连续的离子传导路径和调控良好的聚合物-陶瓷界面很难同时实现[28,29]。
离子传输限制在电极中更为严重，特别是在实际应用中使用的高负载条件下[30,31]。在负极侧，反复的锂沉积和剥离对局部离子通量、电流密度分布和界面接触非常敏感。锂优先沉积在传输阻力较低或局部电场较高的区域附近，导致锂生长不均匀、界面退化和枝晶传播[32,33]。一旦锂枝晶穿透固态电解质或沿缺陷和晶界生长，可能发生内部短路和电池快速失效[34,35]。在正极侧，高能量密度通常需要使用高活性材料负载的厚电极。然而，增加电极厚度同时也延长了锂离子扩散路径并放大了复合正极内的曲折度[36]。因此，沿电极深度方向产生了锂离子浓度梯度，导致反应不均匀、活性材料利用不完全、低倍率能力和循环过程中更快的退化[37]。这些挑战突显了需要对离子传输路径进行工程化设计，而不仅仅是依赖单一材料的固有电导率[38,39]。在传统的复合电极和电解质中，离子传输通常通过随机分布的孔隙、颗粒或聚合物/陶瓷相发生。这些无序网络通常包含死胡同、连接不良的区域或长而曲折的路径，随着电极厚度增加，这些问题变得更加严重。垂直取向架构引入了沿贯穿厚度方向的方向性路径，与电池运行期间主要的锂离子传输方向平行[40,41]。将随机传输网络转化为连续的、低曲折度通道产生了垂直取向结构，可以缩短扩散长度，降低传输阻力，改善电解质渗透，并增强整个厚电极中的反应均匀性[[42], [43], [44]]。
在本综述中，垂直取向架构被定义为一种各向异性电极或电解质结构，其中主要的离子传输路径优先沿贯穿厚度方向取向，或沿该方向具有显著分量，从而在两个相对界面之间提供连续或准连续的传输。因此，其定义特征不仅仅是高孔隙率、有序形貌或低曲折度，而是路径取向与电池运行期间主要Li+迁移方向之间的结构相关性。典型例子包括垂直取向的孔隙或通道、取向的陶瓷/聚合物支架、层状离子导电相以及主要沿组件厚度延伸的工程化贯穿孔。相比之下，各向同性多孔结构或没有明确贯穿厚度取向的有序架构，并不仅因其表现出低曲折度或改善的传输动力学而被归类为垂直取向。为在整个综述中保持一致的结构框架，所报道的架构进一步分为三类：(i) 直接垂直取向架构，其截面成像、三维重构、各向异性传输测量或方向性曲折度分析清楚地证明了优先的贯穿厚度取向和连续性；(ii) 准垂直取向架构，其中传输路径具有主导的垂直分量，但包含分叉、横向互连或部分不连续性；(iii) 相关的低曲折度或有序多孔结构，仅在它们提供可转移的机理或结构见解时进行讨论，但不被视为垂直取向的直接证据。这种分类使垂直取向能够与更广泛的曲折度降低概念区分开来，并为比较不同架构提供了一致的基础。
垂直取向架构的功能取决于它们在电池中的位置。在固态电解质中，垂直取向的离子导电路径或取向的陶瓷/聚合物相可以缩短锂离子迁移路径并促进贯穿电解质厚度的连续渗透[45,46]。在锂金属负极中，垂直取向的多孔宿主可以引导锂成核和沉积进入电极内部空间，减少电解质界面处的锂积累，降低局部电流密度，并缓冲反复沉积/剥离期间的体积变化[[47], [48], [49]]。在高负载正极中，垂直取向通道促进固态电解质相的深度渗透并提供贯穿电极厚度的直接离子传输路径[50,51]。这种架构有助于将电化学活性区域从隔膜侧向集流体方向延伸，从而改善反应深度、活性材料利用率和倍率性能。
在此，我们讨论垂直取向架构作为一种结构设计策略，以促进固态锂金属电池中的快速离子传输（图1）。我们首先概述固态电解质、锂金属负极和高负载正极中的离子传输限制，重点关注厚电极配置。然后我们总结垂直取向架构的代表性制备策略和结构特征，随后是它们在复合锂金属负极、固态电解质和高负载正极中的应用。在整个综述中，结构分类主要基于传输路径的取向和连续性，而不仅仅是电化学性能，缺乏充分证据表明优先贯穿厚度取向的架构明确标识为低曲折度、有序多孔或概念相关结构。我们进一步关注通道几何形状、离子/电子连接性、界面相容性、机械稳定性和电化学性能之间的关系。最后，我们讨论了可扩展制造、结构致密化、界面控制、机械耐久性和定量结构-传输分析方面的剩余挑战。这些视角旨在指导面向高能量密度和高倍率SSLMBs的垂直取向架构设计。
