AI驱动高性能电池设计！路易斯维尔大学王慧，最新Joule综述！

锂离子电池在过去三十年间驱动了便携电子和电动汽车的革命性发展，但对可穿戴设备、机器人和结构储能系统日益增长的多功能需求，正迫使电池设计超越传统的电化学优化范式。反复的锂化/脱锂过程驱动电极材料发生体积膨胀与收缩，在颗粒内部产生内应力，诱使活性颗粒开裂、固态电解质界面膜失稳并加速容量衰减。这些电-化-力失效模式源于离子传输、化学相变和机械形变三者之间的本征耦合。架构设计通过分布机械应变、保持界面完整性来延长循环寿命，同时在器件层面赋予柔性、降低厚电极阻抗、缩短离子传输路径。但如何将电化学性能、结构设计和机械稳定性三者统一纳入一个框架进行系统评估，仍是该领域的关键空白。

2026年9月2日，美国路易斯维尔大学王慧教授在《Joule》上发表了题为“Engineering battery architectures for multifunctionality and high performance”的综述论文。该工作建立了一个结构-电-化-力耦合框架，将电池架构分为1D纤维状、2D平面状和3D体相状三大类，系统评述了每类架构如何调控离子传输路径、应力分布和界面动态行为。

在1D架构方面，同轴纤维设计将中心阳极丝同心包覆电解质和阴极，在弯曲和拉伸条件下维持界面接触。彭等人报道的纤维状锂空电池在重复弯曲100次后仍保持稳定放电电压，碳质量比容量达12470 mAh g⁻¹。扭曲纤维设计将两根或多根纤维电极缠绕，沿纤维长度再分布机械应变。胡等人利用3D打印LTO和LFP纤维制备的扭曲集成纤维电池，在50 mA g⁻¹下循环30次后放电容量为110 mAh g⁻¹。缠绕结构将正负极纤维螺旋缠绕于中心芯材周围，允许界面滑动以容纳应变。刘等人制备的准固态纱线锌离子电池在2 A g⁻¹下500次循环后容量保持98.5%。

在2D架构方面，功能框架设计通过构建平面叉指、柱状叉指、叠层网格和平面网格四种构型缩短离子传输路径并增加界面面积。胡等人利用3D打印LFP|LTO叉指电池，半电池比容量分别达到约160和170 mAh g⁻¹。郭等人开发的微米硅负极通过定向冷冻辅助直写技术，实现2.7 mm超厚电极和14 mAh cm⁻²面容量，100次循环后保持82.2%容量。蛇形、折纸/剪纸和仿生结构则为柔性电池提供了机械变形适应能力。基于折纸设计的锂离子电池在完全压缩状态下仍保持超过1 mAh cm⁻²的可逆面容量。鳄鱼皮仿生结构电池在30,000次双向弯曲后容量保持92.3%。3D架构如点阵结构和三周期极小曲面提供了三维互穿的离子传输网络和均匀应力分布，石墨烯点阵电极在500次循环后保持92%容量保持率。

最后，该综述指出AI驱动的逆向设计、多物理场优化、ECM耦合机制解析以及规模化制造是结构电池走向实际应用的关键方向。

1、建立结构-电-化-力耦合统一框架，将1D纤维、2D平面和3D体相架构系统分类，揭示不同维度如何调控离子传输、应力分布和界面稳定性。

2、系统评述2D架构中的叉指、网格、蛇形、折纸/剪纸和仿生设计在柔性、拉伸性和电化学性能间的权衡，为可穿戴及可变形电池提供设计指南。

3、展望AI辅助逆向设计、多物理场优化和规模化制造等方向，为结构化电池从实验室走向实际应用提供路线图。

图1 1D、2D和3D电池结构设计分类示意图

图2 1D结构电池设计与性能

图3 1D结构电池设计的挑战

图4 复杂载荷条件下电池的示意图

图5 可变形2D多孔结构电池设计

本综述通过结构-电-化-力耦合框架，系统整合了1D纤维、2D平面和3D体相电池架构的设计策略、性能权衡和制造可行性。1D架构通过同轴、扭曲和缠绕结构赋予线状电池优异的弯曲、拉伸和扭转适应性，适用于可穿戴电子。2D架构通过叉指、网格和蛇形/折纸/剪纸几何，在提升离子传输效率和变形适应性的同时实现高面容量和长循环稳定性。3D点阵和TPMS结构提供三维互穿离子传输网络和应力均匀化能力，有效缓解体积膨胀效应。该框架为结构化电池的理性设计提供了系统方法论，并指明AI驱动优化、ECM机制解析和规模化制造等关键发展方向。

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2026.102642

文章来源：新能源前沿