Stress relief principles milestoning the industrial application of lithium metal battery systems

材料科学 蠕动 压力(语言学) 肿胀 的 电池(电) 应力松弛 分离器(采油) 复合材料 应力消除 电极 应力-应变曲线 变形(气象学) 金属 多孔性 锂(药物) 联轴节(管道) 重量分析 温度循环 金属锂 自行车 有效应力 铰链 多孔介质
作者
Xiaoyu Ji,Xiaofan Lv,Jiedong Li,Lei Li,Zuoliang Ning,Yuxiang Wu,Xinlin Long,Lijun Fu,Gang Chen,Jiangfeng Qian,Shanmu Dong,Guanglei Cui
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
标识
DOI:10.1038/s41467-026-76058-6
摘要

Stress critically influences the cycling and safety of lithium metal batteries, especially in pouch cell or pack configurations. However, intrinsic coupling between stress and swelling persistently obscures the fundamental understanding of stress-strain effects. Herein, through real-time stress control, we identify that electro-chemo-mechanical responses of industrial-level cells are directly linked to stress relief principles of Li negative electrode. Li dendrites can hardly penetrate separators due to the plastic collapse of porous Li deposits. While densification of collapsed deposits occurs at 0.1 ~ 0.2 MPa, the dense architecture necessitates stress relief through creep or plastic deformation. Crucially, the separator penetration-induced short circuit originates from plastic deformation of densified Li, under stress exceeding its bulk yield strength (~1 MPa). These stress relief principles enlighten us achieving the stress-optimized 27 Ah, 402 Wh kg−1 module with nondeteriorative cycling performance compared to single cell, providing a scalable framework for addressing key challenges in high-energy battery systems. Stress strongly influences the cycling stability and safety of lithium metal batteries, yet its intrinsic coupling with electrode swelling has obscured the underlying stress–strain mechanisms. Here, the authors decouple stress from swelling in lithium metal pouch cells, revealing stress-relief mechanisms and enabling a 27 Ah battery module with a gravimetric energy density of 402 Wh kg⁻¹ and stable cycling over 240 cycles.
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