18650電池也能發Nature！

一、 【導讀】?

交通電氣化的發展將嚴重依賴于鋰離子（Li-ion）電池技術的改進。例如，航空業在航班起飛過程中需要非常高的放電速率，類似地，為了減輕充電點擁堵和貨物運輸的停工時間，汽車需要進行快速充電。為了滿足這些需求，出現了許多高速放電解決方案，但熱引起的降解問題仍然存在。為了推動電池設計的進步，以減輕這些降解問題，我們必須能夠準確地量化操作過程中的內部溫度。然而，這是一個挑戰，因為電池在制造過程中被密封起來，以防止短路和污染。為了無損地測量溫度，可以使用XRD等方法來測量電流收集器等金屬的熱膨脹，但要直接解析內部溫度則需要對電池進行修改，加入熱電偶等傳感器。但是圓柱形電池已知存在復雜的內部應變。

二、【成果掠影】

最近，倫敦大學學院的Shearing教授利用先進的XRD方法對高速運行的鋰離子18650電池進行了充電狀態、機械應變和溫度的表征。他們觀察到不同電池類型和電流條件下的內部溫度變化，并發現充電協議對溫度升高有重要影響。這項研究為解決與溫度相關的電池問題提供了設計緩解措施的可能性，從而改善高速電動汽車應用中的熱管理。相關成果以 “Mapping internal temperatures during high-rate battery applications” 為題發表在Nature上。

?三、【核心創新點】

這項創新性研究通過先進的同步輻射X射線衍射方法，創新性地表征了高速運行的鋰離子電池的充電狀態、機械應變和溫度分布，為高速電動汽車應用中的熱管理提供了改進的機會。

?四、【數據概覽】

圖1在18650電池中進行電化學操作之前的時空溫度映射。? 2023 Springer Nature

a、b，NMC（層狀富鎳過渡金屬氧化物）電池的實驗室X射線CT體積渲染圖（a）和正交切片圖（b），顯示了鋼殼和內部卷心狀組件。

c，NMC電池在從80℃烤箱中取出后立即冷卻時的內部溫度。

d、e，類似于實驗室CT中顯示的正交切片，但表示從NMC電池（d）和從LFP電池（e）中取出的內部電池溫度，該溫度是通過同步輻射XRD-CT獲得的。

圖2 通過XRD-CT進行原位內部溫度映射。 ? 2023 Springer Nature

a、商用18650電池的高速放電電流，并在斷路處測量峰值溫度（星號）。

b、c、分為徑向區域（b）和方位區域（c）的八個區域的內部溫度。所有誤差線都是統計誤差，精度誤差大致為±3℃。請注意，環境溫度假設為恒定的20℃。

圖3通過XRD-CT獲得的原位內部溫度最大值。 ? 2023 Springer Nature

a、b，商用能量優化電池（a）和功率優化電池（b）在不同倍率放電后立即出現的內部溫度最大值。

c，通過XRD-CT或MMC-XRD在放電結束和/或開路電壓開始時獲得的兩個能量電池和一個功率電池的最大內部溫度與放電電流的相關性。

圖4 通過MCC-XRD手段進行實時內部溫度測量。 ? 2023 Springer Nature

a、b，四個充電周期中的充電過程中的溫度（a）和放電過程中的溫度（b）。

c、d，四個充電周期中充電過程中的應力（c）和放電過程中的應力（d）。

e、f，評估四個充電周期中SoC（容量）與應力之間的關系（e，所有電池以1C充電）和放電周期中的關系（f，在不同倍率下放電）。

圖5 循環后的內部溫度。 ? 2023 Springer Nature

a、b，能量優化型18650電池3.5 Ah標稱容量電池在長時間循環前（虛線綠色）和循環后（實線紅色）的電化學（a）和結構（b）數據。

c、八個徑向區域記錄的最高溫度。

d、每次放電電流后立即的平均溫度。

e、經過三次放電電流后循環電池溫度與原始電池溫度之間的差異。

五、【成果啟示】

總的來說，通過新的XRD-CT和MCC-XRD方法，能夠準確測量高速操作中鋰離子電池的內部溫度。這些方法提供了關于電池熱力學和機械特性的深入見解，并揭示了充電協議和循環次數對溫度的影響。此外，還發現電池循環后可能會出現兩種不良情況，包括電池無法承受高電流和產生過多熱量，以及電池內部電阻增加導致溫度升高，可能對用戶安全造成潛在風險。這些研究結果為電池的設計和熱管理提供了重要的指導，有助于改進高速電動車輛應用中的溫度相關問題。

原文詳情：Heenan, T.M.M., Mombrini, I., Llewellyn, A. et al. Mapping internal temperatures during high-rate battery applications. Nature 617, 507–512 (2023).

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

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