journal article·2026-06-12

Safety of Lithium Batteries: Mechanistic Gap Analysis from Materials to Large-Format Cells

Kausthubharam, Avijit Karmakar, Bairav S. Vishnugopi, Alvaro J. Miguel, Alex M. Bates, John C. Hewson, Nathan B. Johnson, Yuliya Preger, Paul Albertus, Judith A. Jeevarajan, Loraine Torres-Castro, Partha P. Mukherjee

ACS Energy Letters· Volume 11· Issue 6
Publisher page

Abstract

Thermal runaway (TR) remains the most critical failure mode in commercial batteries, yet its initiation and propagation in large-format cells are not adequately captured by conventional material- and coin cell-level tests. We conduct a mechanistic gap analysis and identify three primary factors that limit the extrapolation of TR behavior across length scales: intracellular heat and mass transport, gas venting and ejecta dynamics, and degradation under realistic operating conditions. A comparison of lithium-ion and solid-state chemistries demonstrates that architecture-driven heterogeneity, interfacial instability, and scale-dependent transport fundamentally influence TR dynamics at the cell level. While commonly used thermal characterization techniques provide insight into intrinsic reactivity, they fail to account for architecture-specific effects, including electrode crosstalk, pressure buildup, and spatially nonuniform electrochemical aging. We propose a hierarchical, physics-informed safety framework that integrates multiscale experiments with mechanistic modeling, emphasizing the need for cross-scale diagnostics, validated simulations, and standardized safety metrics to guide the design of safer, energy-dense systems.
Source: openalex_inverted_index · Quality: baseline

Research context

OpenAlex topics: Advanced Battery Technologies Research · Advanced Battery Materials and Technologies · Advancements in Battery Materials

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

School of Mechanical Engineering

Purdue University

Electrochemical Safety Research Institute

UL Research Institutes

Power Sources R&D

Sandia National Laboratories

Department of Chemical and Biomolecular Engineering

University of Maryland at College Park

Funding

Advanced Research Projects Agency - Energy

References (100+)

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