【研究背景】
随着柔性电子、植入式医疗设备及轻量化电动交通工具的快速发展，能源存储设备的功能需求已从单一的能量供给扩展至机械承载、形变适应等多元化维度。传统电池的刚性物理形态与层叠式结构设计，在应对动态形变、极端负载或严格空间限制等复杂应用场景时，往往引发界面失效、性能骤降等严峻挑战。其核心矛盾在于，新增的机械或物理功能常以牺牲核心电化学性能为代价。因此，如何通过跨尺度的结构创新，在电池的多功能化与高性能化之间实现精妙平衡，成为突破当前技术瓶颈的关键所在。本综述系统性地阐述了通过结构工程设计实现性能均衡多功能电池的策略、材料与工艺，为该领域的未来发展绘制了清晰的技术路径。
【成果简介】
近日，北京理工大学陈人杰教授团队发表综述，构建了一个从“机理认知”到“系统构建”的完整研究框架。文章首先从力学-电化学耦合的基本原理出发，深刻揭示了电池在外力作用下的失效机制，为所有后续的结构创新奠定了坚实的科学基础。在此基础上，文章依次深入剖析了可形变电池、微型电池、一体化电池及结构电池等代表性功能单元的设计策略与性能特点，详细阐述了碳纤维等关键功能材料的核心作用以及多尺度先进制造技术的使能角色。尤为重要的是，文章超越了单元器件的范畴，展望了通过模块化集成和智能化管理将多功能电池无缝融入未来智能系统的广阔前景，并最终提出了一个极具前瞻性的四阶段发展路线图，为多功能电池从实验室走向产业化应用指明了方向。
研究成果发表于顶级期刊《Matter》，题为“Structural designs toward performance-balanced multifunctional batteries”。
【研究内容】
1. 多功能电池的应用需求与挑战
该工作宏观地勾勒了多功能电池所面临的广阔应用前景与核心性能平衡挑战。展示了从实时健康监测、安全可植入医疗到水下高负载供电及高空间利用率的电动交通等多样化应用场景，明确了不同场景对电池性能的特定要求。同时尖锐地指出，传统电池在追求功能化过程中，普遍遭遇能量密度下降、循环寿命缩短等电化学性能衰减问题。因此，引出了全文的核心命题：即必须通过创新的结构设计策略，在满足特定功能需求的同时，最大限度地维持甚至提升电池的本征电化学性能。
图1. 多功能电池的应用需求与挑战
2. 电池在各种失效模式下的示意图及力学-电化学耦合公式
为了给结构设计提供理论指导，必须深入理解电池的失效机理。此图系统性地分析了电池在剪切、拉伸/压缩、承载及疲劳四种典型失效模式下的内部结构变化与性能衰减过程。针对每一种模式，图中不仅提供了直观的机理示意图，更关键的是引入了对应的力学-电化学耦合数学公式进行定量描述。这些公式清晰地揭示了外部应力如何影响锂离子浓度分布、扩散系数及接触电阻等关键参数，并据此提出了如三维网状粘结剂、梯度孔电极等针对性的策略，为后续的微观结构设计提供了直接的科学依据。
图2. 各种失效模式下电池的原理图及其对应的机电耦合公式、决定性参数和编码策略
3. 不同模量碳纤维材料在机械情境下的应用
在明确设计准则后，关键材料的选择至关重要。图3聚焦于碳纤维这一在结构电池中扮演支柱角色的功能材料，精彩地阐释了“性能导向”的材料选择逻辑。图示通过对比不同应用场景（如高弯曲柔性的软体机器人关节与高拉伸强度的飞机机翼），明确指出：为实现最佳性能，需要根据具体的机械负载条件（如应变、应力）理性选择不同模量的碳纤维。这种按需选材的理念，确保了材料属性能够精准匹配器件的功能目标，是成功实现结构设计从理论走向实践的物质基础。
图3. 在不同机械环境下使用的具有不同模量CF材料
4. 用于加工功能电池的不同尺度典型方法总结
先进的设计理念需要先进的制造工艺来实现。本图系统性地总结并对比了用于制备多功能电池的各种多尺度加工技术，构成了一个强大的技术工具箱。从合成零维纳米材料与一维纳米线的化学方法，到制备二维薄膜涂层的物理气相沉积，再到构建复杂三维空间框架的增材制造（如3D/4D打印），以及实现动态形状变换的折纸/编织技术，这些工艺各具特色，为将不同维度的结构设计蓝图精确转化为现实器件提供了多样化的实现路径和可能性。
图4. 不同规模下用于加工功能电池的典型方法概述
5. 不同维度可形变电池的结构工程
在材料与工艺的支持下，可形变电池的设计展现出清晰的维度演进逻辑。此图是可形变电池的设计总览，系统地将策略分为一维纤维电池、二维平面电池和三维空间电池。从线性的平行、同轴、扭曲构型，到面内的三明治、本征可拉伸、剪纸架构，再到通过波浪形、折纸实现的立体构型，这种分类体现了从简单线性到复杂空间的结构创新路径，其共同目标是通过空间结构设计赋予电池宏观的形变适应能力。
图5. 不同维度下可形变电池的结构工程
6. 多维可形变电池的设计与性能
图5的设计理念需要通过具体技术案例来落地验证。图6展示了一维形变电池的典型实现方案，例如通过热拉伸技术可以连续制备出长达百米的纤维电池，为智能织物和特殊通信场景提供了可能。这些实例表明，一维结构不仅赋予了电池可弯曲、可编织的独特优势，其连续化、规模化的制备技术更是推动其从实验室走向实际应用的关键一步，彰显了结构设计与先进制造工艺的紧密结合。
二维平面电池则通过不同的策略路径来实现形变功能。如图7中案例所示，本征可拉伸设计依赖于开发具有弹性的电极/电解质材料本身，而剪纸（Kirigami）和桥岛（Bridge-island）结构则更为巧妙，它们通过精妙的几何图案设计或刚性单元与柔性链的组合，使原本不具备拉伸性的材料获得了宏观的可拉伸性。这些方案各有侧重，但共同目标是在二维平面上实现功能的最大化，并保持良好的电化学性能与机械耐久性。
为了进一步拓展形变的自由度与空间适应性，三维设计策略应运而生。图8展示了通过波浪形（Wavy）和折纸（Origami）技术将二维平面电池转化为三维空间结构的方法。波浪形结构通常基于预应变-释放原理产生可控的褶皱，实现单向拉伸；而折纸技术则通过预先设计的折痕，使平面电池能够折叠成复杂的三维形态，从而获得多自由度的形变能力。三维设计的核心优势在于，它通过空间结构的重构，实现了更为复杂的形变模式与更高的空间利用率。
图6. 一维可形变电池的设计与性能
图7. 二维可形变电池的设计与性能
图8. 三维可形变电池的设计与性能
7. 不同维度微型电池的结构工程
当应用场景转向对体积有极端要求的微机电系统或植入式医疗设备时，微型化成为核心目标。该图系统梳理了微型电池为实现高能量密度而采用的各种精巧构型，其设计逻辑呈现出清晰的维度递进关系。从简单的一维短纤维、二维平面堆叠/叉指结构，发展到复杂的三维阵列、多孔和瑞士卷（Swiss-roll）结构，其核心思想是在极其有限的基底面积内，通过增加第三维度的空间利用率，最大化电极界面面积和活性物质负载量，从而在微小体积内维持足够的能量和功率输出。
图9. 不同维度下微型电池的结构工程学
8. 一体化电池的结构特性与加工方法
无论是可形变电池还是微型电池，其长期可靠性都高度依赖于稳固的内部界面。本图引入了一体化电池的先进设计理念，其核心在于通过液体渗透、精确涂层或聚合物原位粘合等特殊工艺，将电极、电解质、隔膜等各组件无缝集成成一个坚固的、界面亲和性极强的整体（Monolithic Structure）。这种一体化结构从根本上消除了传统层压电池中界面接触不稳定的固有风险，显著提升了电池的机械鲁棒性、耐久性及安全性，是保障功能电池在复杂工况下稳定工作的关键。
图10. 一体化电池的结构特点及加工方法
9. 结构电池的特性与加工方法
一体化电池主要追求内部结构的稳固性，而结构电池则代表了更高层次的集成目标，即让电池本身成为承载机械载荷的结构部件。此图清晰区分了耦合与解耦两种主流技术路径。耦合设计更为激进，它使用像碳纤维这样的多功能材料，使其同时承担离子/电子传导、电化学活性物质载体和机械增强元件的三重角色，实现最高程度的集成；解耦设计则相对稳健，将成熟的电化学功能单元嵌入到独立的承重复合材料结构中。这标志着电池从单纯的“功能件”向“结构-功能一体化件”的革命性跨越。
图11. 结构电池的特性及加工方法
10. 基于不同类型单电池的集成策略
优秀的单元电池需要通过有效的集成策略来构建满足宏观设备需求的能源系统。本图展示了如何将圆柱电芯、新兴的纤维电池或成熟的层压电池等不同类型的单电池，通过模块化设计或直接集成（如Cell-to-Pack, CTP）技术，组合成更大规模的电池包或系统。它揭示了集成策略如何优化系统的空间利用率、提升整体能量密度，并满足特定的机械布局与热管理要求，是实现多功能电池从器件级创新走向系统级应用的关键环节。
图12. 基于不同类型单体电池的电池集成策略
11. 功能电池发展路线图
基于上述从材料、器件到系统集成的全方位技术进步，文章最终提出了一个清晰且具有前瞻性的四阶段发展路线图。该路线图描绘了多功能电池从实现单一附加功能（第一代），到集成多种功能于一身（第二代），再到实现高度一体化融合（第三代），最终迈向动态可编辑、能自适应环境变化的智能电池（第四代）的完整演进历程。每一代都设定了具体的性能目标（如容量保持率、能量密度），这不仅是一个宏伟的愿景，更是一个可衡量、可追踪的技术发展指南，为学术界和产业界的研发提供了清晰的努力方向。
图13. 多功能结构设计电池系统的意义
【文献总结】
本综述通过系统性的梳理与阐释，雄辩地论证了结构设计在实现性能均衡的多功能电池中的核心价值与巨大潜力。文章构建了一个从微观失效机理分析到宏观系统集成展望的完整且逻辑严密的知识体系，为相关领域的研究者提供了从理论基础到工程实践的全景式指导。尽管在完美平衡电化学性能与多功能性、实现低成本规模化制造以及确保绝对安全性等方面仍存在挑战，但通过材料科学、力学、电子工程与数据科学等多学科的深度交叉与协同创新，这些难题正逐步被攻克。可以预见，结构创新将继续驱动多功能电池向前发展，使其在未来智慧城市、先进交通和机器人技术等领域扮演不可或缺的角色，为实现更高效、更便捷的智能化社会提供坚实的能源基础。
原标题：《【复材资讯】Matter综述，结构设计赋能：迈向性能均衡的新一代多功能电池》