【仪表网 研发快讯】在追求高能量密度电池的道路上，科研人员往往将重点集中在材料改性和结构设计上，却忽视了一个简单却十分关键的因素——堆叠压力。一方面，仅提高堆叠压力就能显著提升库仑效率(从60%增至90%)，并且能使循环寿命延长六倍以上；另一方面，当前高库仑效率(>99%)的电池设计需要使用不同的堆叠压力(图1)。因此，理解堆叠压力如何影响电池性能以及确定其最优范围，是当前电池研究与开发面临的关键挑战。2025年8月，北京理工大学吴锋院士、陈人杰教授团队聚焦于电池中的堆叠压力发表了前瞻性文章，以“The Critical Importance of Stack Pressure in Batteries”为题在国际顶级期刊《Nature Energy》(影响因子：60.1)上发表。通过对海量数据进行分析，发现电池存在最佳堆叠压力范围，在该范围内施加堆叠压力能实现电池的最优电化学性能。作者探讨了堆叠压力的主要作用、电化学-机械关系以及电池堆叠压力使用过程中面临的实际问题(过大压力和空间分布不均)。作者主张对这一基础方面进行重点研究，深入理解堆叠压力将有助于开发出更可靠、更实用的电池设计。北京理工大学叶玉胜教授、李丽教授、陈人杰教授为论文的通讯作者，材料学院博士研究生李千雅同学和刘浩同学为论文的共同第一作者。
 

图1 锂离子电池、液态锂金属电池和固态锂金属电池中堆叠压力的示意图及范围
 

　　研究团队发现孔隙问题是导致电池性能衰减和失效的关键因素，通过施加适当堆叠压力，可有效减少锂枝晶孔隙、晶界孔隙、固态电解质/活性材料界面孔隙等多种孔隙的形成(图2)。同时，作者发现电池堆叠压力与电化学性能存在显著的动态关联(图3)。堆叠压力能够反映电化学性能，已有研究提出了一个将堆叠压力与电流密度关联起来的函数，作为评估固态锂金属电池中孔隙形成的方法(图3a,b)。此外，斯坦福大学崔屹教授基于锂离子电池中单位电荷下的堆叠压力变化(dP/dQ)定义了一个析锂阈值(图3c)。尽管在建立堆叠压力-电化学性能之间的联系方面取得了一定进展，但对于电池运行过程中的堆叠压力-电化学关系的理解仍然不足，并且准确预测失效前发生的不良反应仍是一项具有挑战性的任务。
 

图2 堆叠压力在电池中抑制孔隙的作用
 

图3 电池中电化学性能与堆叠压力机械作用之间的关系
 

　　该论文强调，堆叠压力是一把双刃剑，在电池中存在一个最佳阈值范围。一旦超过这个阈值范围，过大堆叠压力会导致液态或者固态锂金属电池中的失效问题(图4)，如：集流体的变形和破裂、电极开裂、材料粉碎、锂金属变形导致的短路、隔膜孔隙闭合、固态电解质机械疲劳引发的裂纹以及枝晶穿刺导致的短路。
 

图4 过大的堆叠压力产生的问题及失效机制
 

　　论文分析了不同电池系统中电池库仑效率(图5a)和堆叠压力(图5b)的统计数据，总结出如图5c所示的“临界堆叠压力(CSP)”经验模型，其阐明了液态或者固态锂金属电池中库仑效率和堆叠压力之间的关系。液态锂金属电池的CSP经验模型包含L1(库仑效率随压力上升至CSPL达到峰值)、L2(库仑效率平台期)和L3(过压失效)阶段；固态锂金属电池的CSP经验模型则包含额外的S0阶段(需要高初始压力CSPS1启动电池)，随后是S1(库仑效率上升至CSPS2达到峰值)、S2(库仑效率平台期)和S3(过压失效)阶段。CSP经验模型为确定实用堆叠压力提供了重要依据，在CSPL或CSPS2处达到高库仑效率水平的最小堆叠压力，可作为电池设计原则的重要指导方针。
 

图5 电池临界堆叠压力经验模型及其分析
 

　　面向未来，研究团队提出四大研究方向：建立压力标准、开发堆叠压力诊断方法、控制空间均匀性、以及优化堆叠压力使用数值(图6)，特别是在电动汽车等大规模应用中，如何将固态电池的工作压力从目前的数百MPa降低到0.1 MPa以下，将成为实现固态电池商业化的关键突破点。
 

图6 电池中堆叠压力的未来发展方向