针对传统电池在受压或碰撞时易出现鼓胀、短路甚至热失控的安全隐患，本文提出并实现了一种基于3D打印的负泊松比结构电极，并结合定向冷冻策略构筑出具有定向孔道的微观结构。该电极在保持高效离子传输的同时，显著提升了压缩耐受性与抗冲击性能，可承受高达50%的压缩变形并实现快速回弹，有效抑制电池鼓胀与结构损伤。基于该电极组装的软包电池在严苛的压缩与锤击测试中仍能稳定供电，展示了其在电动汽车碰撞防护、柔性电子等高风险应用场景中的巨大应用潜力。

背景介绍

随着柔性电子、可穿戴技术和电动汽车的迅猛发展，能源系统在机械性能与安全性方面面临更高要求。传统刚性电池在遭受挤压或碰撞时，极易发生封装鼓胀、隔膜破损，从而引发内短路、局部过热甚至热失控等严重安全隐患。现有的可压缩结构电池虽然在一定程度上改善了力学性能，但在大变形条件下仍存在应力集中、回弹不足、循环稳定性差以及封装膨胀难以避免等问题。因此，如何构建兼具高效离子传输通道、优异可压缩性和抗冲击性的电池结构，并在极端变形下依旧保持电化学性能稳定，成为能源存储与柔性电子领域亟待突破的关键挑战。

研究成果

为解决上述难题，本文提出了一种基于负泊松比（NPR）超材料的结构电极设计，并结合定向冷冻辅助的3D打印技术，成功制备出兼具高压缩性、抗冲击性和优异电化学稳定性的电极。在宏观尺度上，该电极呈现出独特的向内收缩型NPR结构；在微观尺度上，构建了定向排列的多孔通道，既能高效吸收冲击能量，又能显著提升离子传输效率（图1）。

实验与模拟结果进一步验证了该电极的力学与电化学优势（图2）。压缩测试表明，NPR结构在大变形条件下应力显著低于对照电极，并具有优异的循环回弹性能。高速摄影与有限元分析揭示了其卓越的冲击吸收能力，有效避免了结构破损。基于该电极组装的软包电池展现出稳定的充放电特性和良好的循环寿命，更关键的是，即使在强烈压缩和锤击下依然能够稳定供电（图3），充分展示了其在电动汽车碰撞防护等高风险场景中的巨大应用潜力。

未来方向

展望未来，3D打印负泊松比结构电池将不仅是“更安全的电池”，更可能发展成具备缓冲、防护、承力、感知等多重功能的智能能源单元，广泛应用于电动交通、柔性电子、极端环境装备与智能机器人等前沿领域。

引用本文

Yunlong Li, Xihai Ni, Shijun Zhu, et al. Achieving impact-buffered compressible batteries through 3D printing-assisted design of negative Poisson's ratio structural electrodes. Fundamental Research. 5(5) (2025) 2248-2255.

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