鋰離子電池在1991年誕生以來結構基本上沒有發生大的改變，從基本結構上來講現有的鋰離子電池是一種二維結構，即由二維結構的正負極極片、隔膜通過卷繞工藝或者疊片工藝組裝完成。這種結構在當時的條件下具有顯著的優勢，CD的出現將索尼的磁帶產業逼上了絕路，索尼當時面臨淘汰磁帶生產線的設備和工藝通過簡單的改造就能進行正負極的生產，但是隨著電池產業的不斷髮展，這種結構的弊端也日益顯現出來，首先是其中非活性物質佔比太高，電池中的銅箔、鋁箔以及隔膜等材料重量佔比達到20%左右，降低了電池的比能量；其次是電池內部空間的浪費，正負極與隔膜之間存在大量的孔隙，為了保證安全負極的寬度要比正極寬幾個毫米，隔膜又要比負極高出幾個毫米，同時在極耳引出的一側還要留出一定的空間用於極耳連接，浪費掉了大量的空間，導致電池體積能量密度的降低。
近日美國康奈爾大學的J.G. Werner等人設計了一種3D雙螺旋電池結構，在這種設計中不再有傳統意義上的正極片和負極片、隔膜的區別，取而代之的是正極網絡和負極網絡穿插交織在一起，正負極之間僅僅通過一層數十納米的固體電解質進行隔離，極大的減少了電池內部的空間浪費，對提升鋰離子電池能量密度具有重要的意義。
雙螺旋結構是一種常見的材料結構，在嵌段共聚物、酯類和蝴蝶翅膀的結構色等都能夠觀察到這種雙螺旋結構，但是選擇一種適合作鋰離子電池負極的材料並不容易，因為這種材料必須同時滿足低嵌鋰電勢、良好的導電性，以及必須具有大量連續、均勻分佈的微孔。在考察了多種材料後J. G. Werner發現螺旋介孔碳（GDMC）能夠滿足上述的全部要求，螺旋介孔碳（GDMC）可以通過聚合物熱解獲得，J. G. Werner的分析表明其獲得的螺旋介孔碳（GDMC）中佈滿了直徑在40nm左右均勻的微孔，孔隙率為63%，碳壁的厚度為15nm左右，比容量為220mAh/g左右。
下一步的工作是為負極表面均勻的包覆一層固體電解質，這是一項極具挑戰性的工作，因為獨特的結構使得3D電池的正負極之間距離非常近，固體電解質任何的瑕疵都會導致正負極之間發生短路，引起嚴重的後果，同時這層電解質層還不能太厚堵塞負極材料中的介孔。為了解決這一問題J. G. Werner採用電聚合的方式在負極表面生成了一層聚合物電解質，電聚合的特點使得任何裸露的導電錶面都會被不導電的聚合物電解質所覆蓋，通過這一技術J. G. Werner在螺旋介孔碳負極的表面均勻的生成了一層厚度不足10nm的PPO（聚苯醚）零缺陷聚合物電解質層。
最後一步是將正極注入到上述經過PPO包覆處理的負極孔隙內，考慮到聚合物電解質的電化學窗口和負極中微孔的直徑，J. G. Werner選擇了硫作為電池的正極材料，在155℃下熔化的S材料能夠注入到孔徑小於2nm的微孔之中，這使得S成為了該電池最合適的正極材料。但是S材料電子導電性非常差，因此J. G. Werner在上述電極中再次注入了3,4-乙烯二氧噻吩單體（EDOT），然後EDOT原位聚合成為具有良好導電性的PEDOT聚合物材料，從而解決了S正極導電的問題。
細心的讀者朋友可能已經發現了，到目前為止電池已經基本組裝完成了，但是我們還仍然缺少一樣非常重要的東西——Li（正負極都處於脫Li狀態）。為了將Li嵌入到電極之中，J. G. Werner以S為正極，金屬Li為負極，對S負極進行嵌Li，至此3D結構的電池才算最終完成。
電化學測試表明該三維電池的放電電壓平臺在2.7V左右（電流密度0.125mA/cm2），可逆容量的面密度為0.18mAh/cm2左右，僅為理論容量（1mAh/cm2）的20%左右，這可能是因為S正極嵌鋰和脫鋰的過程中產生的體積膨脹導致部分S與PEDOT導電網絡失去連接，無法參與反應。同時從圖中能夠注意到在前兩次放電的過程中還有一部分在2.0V以下的不可逆容量（0.9mAh/cm2），J. G. Werner認為這可能是PEDOT聚合物在充放電循環中發生的一些副反應導致的。最後，該電池整體的比容量為16mAh/g，結合其2.7V左右的電壓平臺，我們通過計算可以得知該電池的比能量為43Wh/kg左右，雖然不如傳統結構的鋰離子電池，但是相比於目前報道的其他3D結構鋰離子電池已經有了長足的進步。
J. G. Werner利用自下而上的工藝開發的3D鋰離子電池，利用了材料自身存在的獨特的雙螺旋結構，形成了正極和負極和隔膜集流體混合在一起的獨特三維結構，極大減少了電池內部的空間浪費，對於提升鋰離子電池的重量能量密度和體積能量密度都具有非常重要的意義。雖然目前J. G. Werner的3D結構鋰離子電池還存在諸多問題，容量發揮和能量密度不及預期，但是其提出的雙螺旋3D結構概念相比於傳統結構鋰離子電池具有不可比擬的優勢，有望在未來引領下一代鋰離子電池結構設計潮流 。
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