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商业化电池快充快放！今日再添重磅Nature！

时间：2023-05-18 来源：浏览：

商业化电池快充快放！今日再添重磅Nature！

原创 Energist 能源学人

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【研究背景】

当今社会，人们对于电动汽车快速充放电能力的关注度日趋上升，但快充快放过程中电池内部的温度也在逐渐增加，从而增加了电池爆炸的危险。然而，锂离子电池在制造过程中是密封的，这使得内部温度难以检测，通常使用X射线衍射（XRD）追踪电极集流体膨胀，从而实现内部温度无损检测。实际上，相比其他类型电池，圆柱电池会经历复杂的内部应变。

【主要内容】

在此，英国伦敦大学学院 P. R. Shearing教授等人通过两种先进的同步辐射XRD方法表征了以高倍率（3C以上）循环后的锂离子18650电池内的荷电状态，机械应变和温度：首先，开路冷却期间的整个横截面温度图；其次，充放电循环期间的单点温度。结果显示，在一个能量优化的电池（3.5 Ah）上放电20分钟会导致内部温度高于70°C，而在一个功率优化的电池（1.5 Ah）上以更快的12分钟放电会导致温度大大降低（低于50°C）。然而，当在相同电流下比较两个电池时，峰值温度相似。例如，6 A放电会导致两种电池类型的峰值温度为40°C。同时，还观察到，循环温度上升是由于热量积聚，其受到充电协议的强烈影响，例如恒流或恒压；随着循环的增加，电池降解增加了电池内阻。因此，本文的策略可以为解决与温度相关的电池问题提供策略措施，为在高倍率电动汽车应用中改进热管理提供机会。

该研究以题为“ Mapping internal temperatures during high-rate battery applications ”发表在《 Nature 》上。

【图文导读】

非原位温度

圆柱形18650电池组装成果冻卷，如图实验室X射线CT横截面图像所示。通过监测金属集流体晶格间距，可以产生类似的横截面，并使用XRD-CT重建空间分辨图像（图 1c ），XRD-CT只能准确地重建绕层析旋转轴旋转不变的量。

作者基于商业化圆柱形电池（18650）的两种无损温度测量方式，首先，通过进行XRD-CT可以生成完整的横截面温度图，非常适合探索充电或放电结束时的空间分布（例如2D图）。其次，多通道准直仪（MCC）可用于解析任意选择的内部位置内的温度（例如1D线），以便在操作期间进行实时量化。

具体来说，本文重点对比了两种鲜明的商业化18650电池，一种采用富镍NMC811正极与Gr-SiO _i 负极，一种采用LFP正极与Gr负极。后续部分将讨论无需电化学操作（非原位）即可验证温度定量，然后通过XRD-CT（原位）和MCC-XRD（操作方法）进行采集。

图1 18650在没有电化学操作时的时空温度图。

原位温度

为了进行电化学操作，同时通过XRD方法获得温度测量值，设计并优化了定制的18650电池，以提供足够的XRD信噪比，同时还允许高电流和低电路损耗。使用这种设置可以对电化学数据进行测试，并对活性电极材料进行XRD分析，并通过XRD-CT为每种材料生成SoC的空间图进行进一步的重建。除SoC外，机械应变信息在18650个电池中也非常重要。与SoC类似，XRD方法也可用于获取这种机械应变。

图2 通过XRD-CT绘制原位内部温度图。

图3 通过XRD-CT获取原位内部温度最大值。

图4 通过MCC-XRD获取操作内部温度。

图5 循环完成后的内部温度。

【总结展望】

总之，本文介绍了两种准确（±3°C）量化商业化锂离子18650s电池高倍率下（高达10.0 A）检测电池内部温度的方法，且无需电池修改或拆卸。同时，通过细微的改变能够研究其他的电池几何形状，例如2170和4680，以及非标准微观结构，例如超薄集流体。

结果显示，使用XRD-CT进行的温度映射表明在放电结束时，电池内达到的峰值温度相对均匀（空间上），并且该温度峰值的大小在很大程度上取决于所使用的电流。然后，MCC-XRD温度映射方法显示，该温度峰值是由于热量积累而达到的，并且受到充电协议的强烈影响（例如，使用CC或CC-CV等）。最后，作者提出了两个关键的不良情况：第一，电池不能再承受高电流，不能产生大量的焦耳加热，因此很可能无法通过保修，需要更换。第二，具有潜在的安全影响，即电池仍然能够承受高电流，但也经历比原始状态更高的内阻，产生更高的热量和更高的内部温度，从而可能危及用户。

【文献信息】

T. M. M. Heenan, I. Mombrini, A. Llewellyn, S. Checchia , C. Tan, M. J. Johnson, A. Jnawali, G. Garbarino, R. Jervis, D. J. L. Brett, M. Di Michiel, P. R. Shearing✉, Mapping internal temperatures during high-rate battery applications, 2023, Nature.

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05913-z

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