近日，美國斯坦福大學(xué)崔屹教授研究了局部過熱對電池中鋰金屬生長的影響，并據(jù)此提出了一種可能的溫度誘導(dǎo)電池短路機制。利用激光在鋰電池內(nèi)部產(chǎn)生局域高溫，并基于微拉曼光譜學(xué)平臺進(jìn)行測量。由于表面交換電流密度的增加，鋰沉積速率在過熱區(qū)域上加快了幾個數(shù)量級。作者進(jìn)一步基于這些表征證明局部高溫可能是導(dǎo)致電池短路的重要原因之一。此外，溫度測量平臺為詳細(xì)描述儲能設(shè)備的熱特性打開了新的大門。該文章發(fā)表在國際頂級期刊Naturecommunications上。YangyingZhu和JinXie為本文共同第一作者。

用于局部溫度測量的拉曼光譜：

實驗裝置。a）改進(jìn)后的紐扣電池原理圖（不按比例），該電池具有光學(xué)透明玻璃窗口，用于激光照射到作為溫度指示劑石墨烯和銅集電極；b）石墨烯的G拉曼峰位置隨溫度的變化。溫度系數(shù)由直線擬合(虛線)的斜率得到。插圖顯示了校準(zhǔn)裝置的原理圖；c)研究了波長為532nm的激光在紐扣電池中產(chǎn)生的銅局部溫度隨激光功率的變化規(guī)律。

為了研究鋰離子電池內(nèi)部局部過熱對鋰生長行為的影響，作者利用拉曼光譜技術(shù)對鋰離子電池局部溫度的測試進(jìn)行了研究。如圖1所示，作者首先構(gòu)建了基于拉曼的溫度檢測系統(tǒng)。利用拉曼信號精確反饋電池局部溫度。（基于石墨烯的拉曼峰隨溫度的變化進(jìn)行線性擬合）

鋰在電池局部過熱處的生長:

溫度過熱區(qū)域的鋰沉積。鋰沉積在Cu上的SEM圖像，局域溫度和激光功率分別為a）51℃（6.7mW），b）83℃（13.4mW），c）99℃（16.8mW）。d-f）通過模擬得到相應(yīng)激光光斑附近的溫度分布圖。g-i）用激光在銅表面模擬相應(yīng)條件下的鋰沉積速率。

以往的報道已經(jīng)對溫度均勻狀態(tài)下鋰的生長進(jìn)行了研究，但是對于局部高溫狀態(tài)下鋰的生長研究較少。為了了解局部過熱如何影響電池行為，作者在微拉曼光譜平臺上研究了溫度可控的局部過熱點處鋰的生長行為，并用掃描電鏡（SEM）對其形貌進(jìn)行了表征。如圖2所示，作者利用激光在電池局部點產(chǎn)生不同程度的局部過熱，并觀察鋰的生長情況。為了充分理解鋰在非均勻溫度狀態(tài)下的生長，作者還利用多物理場耦合分析軟件進(jìn)行了模擬分析。測試結(jié)果表明局部過熱可以極大地提升鋰的局部沉積速率。反應(yīng)動力學(xué)隨溫度呈指數(shù)增長的特性導(dǎo)致了鋰離子或鋰金屬電池的電化學(xué)性能對溫度波動的敏感性。

局部過熱誘導(dǎo)的電池短路：

電池內(nèi)部短路會導(dǎo)致局部過熱和局部鋰的快速生長。基于此，作者提出：內(nèi)部局部過熱可能會導(dǎo)致電池短路的發(fā)生。并且，作者在電池內(nèi)部搭建了局部溫度傳感控制系統(tǒng)并進(jìn)行局部過熱試驗證實了這個猜想。

局部過熱誘導(dǎo)的電池短路。a)以銅和鋰鈷氧化物（LCO）為電極的光學(xué)電池原理圖。b）電池在以30μA恒定電流放電的電壓-時間曲線。短路開始后，電壓開始出現(xiàn)下降和波動。c）開始t0=0s時，短路前d）t1=760s，e）t2=1160s；f）開始短路t3=1480s，g）短路后t4=1800s這幾個階段的鋰生長狀況。

局部過熱誘導(dǎo)的電池短路和局部溫度響應(yīng)。a）在銅-LCO（鋰鈷氧化物）缺口和激光熱點處帶有電阻溫度檢測器（RTD）光學(xué)元件的原理圖；b）電阻隨溫度變化校正。