时高蓄电池结构电池与拓扑优化的集成：迈向多功能轻量化设计的路径
复合材料因其多功能性和可定制性能而备受关注，为优化各类应用性能提供了新途径。拓扑优化技术已证实其在不同学科领域提供新型优化设计方案的能力，特别是通过调控材料组分、微观结构和取向之间的复杂相互作用，这些因素显著影响着复合材料结构的整体行为与性能。上述优势促使学界对复合材料及结构的高效设计方法展开了广泛研究。结构电池作为一种潜在解决方案，正为满足大规模电气化日益增长的储能需求提供新思路。然而，尽管这两个研究领域均具有创新性、学术价值与现实意义，但拓扑优化方法在结构电池设计与开发中的应用仍存在大量未探索空间。本研究聚焦于探索将拓扑优化与新型数值建模方法应用于结构电池设计的可行性。通过全面考察拓扑优化技术在增强复合材料结构设计中的运用，详细阐述了多种技术手段如何考虑多材料相、不同材料取向、各向异性及微结构排列对结构性能的影响。在此基础上，本文系统综述了结构电池研发中采用的数值建模技术。最后，针对拓扑优化应用于结构电池设计与开发所可能产生的协同效应、面临的主要挑战及发展机遇进行了识别与探讨。
引言
尽管可再生能源技术前景广阔，但其实际效能取决于能否发展出强健高效的能量存储系统（ESS）。ESS作为未来电动交通与电网的核心组成部分，能够在用电低谷期储存能量，并在需求高峰时段释放[1][2]。先进的绿色储能解决方案的重要性不言而喻——它们使太阳能、风能等间歇性可再生能源得以无缝并网，从而提升能源自主性与系统韧性。
传统电能存储方法包括燃料电池、电池组、电容器和超级电容器。其中，锂基与钠基电池（锂离子/钠离子电池，LIBs/NIBs）因其高能量密度、高功率密度及长使用寿命而成为主流选择。尽管LIBs属于成人技术[3]，但现有器件仍存在影响安全性与性能的缺陷，包括枝晶生长、热失控、过充电及单体组件失效等问题[4]。实际上，这些局限性多与液态电解质的使用相关。此外，LIBs产业的可持续性与环境影响亟待解决，尤其需要关注钴、锂等关键原材料的供应风险问题。
当前最先进技术（SoA）提出了多种克服锂离子电池局限性的方法，其中突出了一种将安全性与电化学性能相结合的策略，该策略通过全固态电解质与轻量化先进复合材料实现[5][6]。电化学性能与机械特性的协同作用不仅优化了空间利用与质量，同时显著降低了传统电池体系典型的环境足迹，使其成为极具前景的解决方案并引发广泛科学关注[7][8][9][10][11]。尽管结构电池在革新储能系统（ESS）设计与交通运输产业方面具有潜力，但其电化学性能、热力学性能与机械性能的平衡仍面临重大挑战，这凸显了理解电池单体内部现象的重要性。必须重新评估各组分（阴极、阳极和电解质）的设计，以有效解决界面与体相退化问题，从而制定可靠的指导原则[12]。
拓扑优化最初由Bendsøe和Kikuchi于1988年提出[13][14]，作为结构优化中尺寸优化与形状优化之外的三大子领域之一，已被广泛研究[15][16][17][18][19][20][21]，并日益应用于结构设计初期以实现材料的最优分布[22][23]。该方法通过建立目标函数，并将设计域划分为多个区域，通过调整材料密度来定义哪些区域应填充材料[24]。关于该优化方法的研究始终致力于扩展其能力，其中两大里程碑性进展为结构电池设计的潜在交叉应用提供了可能：(1) 考虑多材料相及其相互作用；(2) 将拓扑优化拓展至同时受热力和电学现象支配的非结构问题[25][26][27][28][29]，从而实现了多物理场场景下的应用。
在本研究范围内，我们综述了能够表征结构电池运行过程中不同物理现象的数值建模技术，包括面向电池适用性与兼容性的拓扑优化框架。其目的在于识别科学文献中可能存在的空白领域并探索新的研究路径。后续章节将分别概述结构电池及其发展挑战的现有技术水平（第2章《结构电池》与第3章《结构电池发展的当前与未来挑战》）、用于表征这些现象的数值建模技术（第4章）以及拓扑优化领域的研究进展（第5章）。随后，第6章将探讨未来发展的潜在路径。
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