结构电池是一种可以用于两种用途的电池，既可以作为车辆的结构部件，又可以作为储能解决方案。因此，这些电池不是添加到电子或电气设备的外部组件，而是直接嵌入到结构中。

上海大学的研究人员及合作者最近设计出一种很有前景的策略，可以制造具有可定制几何配置的高性能结构电池。该策略可以3D打印出具有不同几何配置的结构锂离子电池，且相关论文已发表于期刊《Composites Science and Technology》

该文章作者Bao称：“该研究旨在设计高储能的一体化储能承载结构。在结构储能设计方面，材料科学主要集中在材料的合成和利用，以及储能部件的二次设计。例如，可以利用碳纤维框架或玻璃纤维框架，对电池电极、分离器或电解质进行改造，以提高结构储能的承重性能。”

尽管具有潜在优势，但许多之前制造的结构性储能解决方案被发现有明显的局限性。包括相对较低的能量密度和较差的机电循环性能。

作为研究的一部分，Bao和同事使用可扩展的制造策略来制造性能更好的结构电池。特别探讨了使用3D打印来制造电池的可能性，3D打印现在被广泛用于制造各种产品和电子元件。

Bao表示：“利用3D打印技术，我们的目标是创建可定制的结构框架，当与储能材料结合时，形成具有集成储能和承载功能于一体的组件，具有高能量密度和承载能力。”

“该结构框架旨在发挥主要的承载作用，尽量减少或降低在承载过程中对储能材料的损害，从而确保优良的储能能力。”Bao和同事介绍的结构框架可以适应结构电池的3D打印，用于各种应用，不局限于电动汽车。事实上，它还可以用于生产特定的自主机器人和仓库物流车辆的结构性储能部件。

研究人员设计的3D打印策略专注于结构性锂离子电池的两个关键方面。即能量存储单元和结构框架。

Bao解释：“通过设计解耦结构，可以有效地减少储能单元在负载作用下的变形，从而提高电池的机械稳定性。”

“我们利用3D打印技术来创建框架，因为它可以快速生产和精确控制结构组件。我们选择了高性能的电极材料和电解质，以进一步提高电池的能量密度和循环寿命。”

Bao和同事还利用有限元软件模拟了负载下储能单元的损坏情况。使他们能够优化电池的结构设计，以限制预测的损坏。

Bao说：“我们采用了电池单元的分布式安排，以防止由于局部损坏而造成的整体故障的缺点。测试表明，通过采用解耦结构电池设计方法，可以实现具有高能量密度和承载能力以及机械电化学稳定性的结构电池。此外，3D打印技术还可以创造出可定制的结构电池。”

研究人员利用提出的方法制造了一个复合结构电池样品。在最初的测试中，发现该电池可以承受显著的拉伸和弯曲应力，同时也表现出120Wh kg-1和210WhL-1（3.5 mA cm-2）的高能量密度。

值得注意的是，经过500次操作循环，电池的容量仍可保持高达92%。在80MPa的拉伸应力下，电池的容量仍可保持98.7%。在96.3 MPa的弯曲应力下，电池的容量仍可保持97%，每个运行周期损失约0.18%的容量。

“在实际应用中，可以对不同的组件选择不同的材料，并且在现实场景中使用有限元方法模拟可以优化结构设计。因此，我们的方法使解耦结构电池的制造能够应用于各种用例。”

在未来，该研究团队引入的基于3D打印的制造策略可以促进高性能结构储能组件的广泛应用。这些应用可能包括用于电动汽车的高容量和稳定结构电池，以及用于机器人系统的小型电池。

Bao补充称，“我们研究的下一步将探索解耦结构电池的应用，如无人机（uav）和机器人。我们将通过改变结构框架的材料使其更加可靠。”。