Nature：绘制高倍率电池应用期间的内部温度图

电动汽车需要较高的充电和放电率，从而也产生了潜在危险的温升。在制造过程后，锂离子电池是密闭的，这使得内部温度探测极具挑战性。利用X射线衍射X-ray diffraction，XRD跟踪集电器膨胀，有望实现内部温度的无损测量；然而，已知圆柱形的电池内部，经历了复杂的应变过程。

在此，英国伦敦大学学院T. M. M. Heenan，P. R. Shearing等人基于两种先进的同步加速器XRD方法，表征了高速率（高于3C）运行锂离子18650电池的充电状态、机械应变和温度：第一，开路冷却期间的整个横截面温度图，第二，充电-放电循环期间的单点温度。研究表明，在能量优化电池（3.5Ah）上，20分钟放电导致了内部温度高于70°C，而在功率优化电池（1.5Ah）上，更快的12分钟放电，会导致温度显著降低（低于50°C）。

然而，当在相同电流下比较两种电池时，峰值温度是相似的，例如，对于两种电池类型，6A放电导致40°C峰值温度。为此，操作operando温度上升，主要是由于热量积累，受到充电规程（例如，恒定电流和/或恒定电压）的强烈影响；随着循环而恶化的机制，因为失效增加了电池电阻。

图1. 基于X射线衍射X-ray diffraction，XRD – 断层扫描Computed tomography CT的原位内部温度图

总之，一维点和二维测绘测量为操作电池的热机械特征提供了实质性的见解，然而，可以提取的信息本身就受到限制。进一步解析空间维度(三维)的能力，允许内部测量和热与电化学变化的机械贡献解耦。本工作提出了两种方法来准确地(±3 ^oC)量化商业锂离子18650在高速(高达10.0 A)运行时的内部温度，而无需修改或拆卸电池。此外，微小的改变将允许研究其它电池的几何形状，例如2170和4680，以及非标准的微观结构，例如超薄集热器。

使用XRD-CT的温度映射显示，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。MCC-XRD温度映射方法表明，该温度峰值是由于热量的积累而达到的，并且受到充电协议(例如使用CC或CC-CV等)的强烈影响。本文还讨论了对废旧电池的影响(例如1000多个循环)，提出了两个关键的不希望出现的情况。第一种，电池不能再承受高电流，因此不能产生大量的焦耳加热，因此很可能无法保修，需要更换。第二种情况有潜在的安全隐患，在这种情况下，电池仍然能够接收高电流，但内部电阻也比原始状态更高，从而产生更多的热量和更高的内部温度，可能危及用户。未来的研究可能会通过实时量化来扩展这些情景，从而为计算建模提供信息，并可能包括表明每种情景概率的统计分析。

图2. 循环后的内部温度

Mapping internal temperatures during high-rate battery applications, Nature 2023 DOI: 10.1038/s41586-023-05913-z

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Nature：绘制高倍率电池应用期间的内部温度图

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