18650电池也能发Nature！

一、 【导读】 

交通电气化的发展将严重依赖于锂离子（Li-ion）电池技术的改进。例如，航空业在航班起飞过程中需要非常高的放电速率，类似地，为了减轻充电点拥堵和货物运输的停工时间，汽车需要进行快速充电。为了满足这些需求，出现了许多高速放电解决方案，但热引起的降解问题仍然存在。为了推动电池设计的进步，以减轻这些降解问题，我们必须能够准确地量化操作过程中的内部温度。然而，这是一个挑战，因为电池在制造过程中被密封起来，以防止短路和污染。为了无损地测量温度，可以使用XRD等方法来测量电流收集器等金属的热膨胀，但要直接解析内部温度则需要对电池进行修改，加入热电偶等传感器。但是圆柱形电池已知存在复杂的内部应变。

二、【成果掠影】

最近，伦敦大学学院的Shearing教授利用先进的XRD方法对高速运行的锂离子18650电池进行了充电状态、机械应变和温度的表征。他们观察到不同电池类型和电流条件下的内部温度变化，并发现充电协议对温度升高有重要影响。这项研究为解决与温度相关的电池问题提供了设计缓解措施的可能性，从而改善高速电动汽车应用中的热管理。相关成果以 “Mapping internal temperatures during high-rate battery applications” 为题发表在Nature上。

 三、【核心创新点】

这项创新性研究通过先进的同步辐射X射线衍射方法，创新性地表征了高速运行的锂离子电池的充电状态、机械应变和温度分布，为高速电动汽车应用中的热管理提供了改进的机会。

 四、【数据概览】

图1在18650电池中进行电化学操作之前的时空温度映射。© 2023 Springer Nature

a、b，NMC（层状富镍过渡金属氧化物）电池的实验室X射线CT体积渲染图（a）和正交切片图（b），显示了钢壳和内部卷心状组件。

c，NMC电池在从80℃烤箱中取出后立即冷却时的内部温度。

d、e，类似于实验室CT中显示的正交切片，但表示从NMC电池（d）和从LFP电池（e）中取出的内部电池温度，该温度是通过同步辐射XRD-CT获得的。

图2 通过XRD-CT进行原位内部温度映射。 © 2023 Springer Nature

a、商用18650电池的高速放电电流，并在断路处测量峰值温度（星号）。

b、c、分为径向区域（b）和方位区域（c）的八个区域的内部温度。所有误差线都是统计误差，精度误差大致为±3℃。请注意，环境温度假设为恒定的20℃。

图3通过XRD-CT获得的原位内部温度最大值。 © 2023 Springer Nature

a、b，商用能量优化电池（a）和功率优化电池（b）在不同倍率放电后立即出现的内部温度最大值。

c，通过XRD-CT或MMC-XRD在放电结束和/或开路电压开始时获得的两个能量电池和一个功率电池的最大内部温度与放电电流的相关性。

图4 通过MCC-XRD手段进行实时内部温度测量。 © 2023 Springer Nature

a、b，四个充电周期中的充电过程中的温度（a）和放电过程中的温度（b）。

c、d，四个充电周期中充电过程中的应力（c）和放电过程中的应力（d）。

e、f，评估四个充电周期中SoC（容量）与应力之间的关系（e，所有电池以1C充电）和放电周期中的关系（f，在不同倍率下放电）。

图5 循环后的内部温度。 © 2023 Springer Nature

a、b，能量优化型18650电池3.5 Ah标称容量电池在长时间循环前（虚线绿色）和循环后（实线红色）的电化学（a）和结构（b）数据。

c、八个径向区域记录的最高温度。

d、每次放电电流后立即的平均温度。

e、经过三次放电电流后循环电池温度与原始电池温度之间的差异。

五、【成果启示】

总的来说，通过新的XRD-CT和MCC-XRD方法，能够准确测量高速操作中锂离子电池的内部温度。这些方法提供了关于电池热力学和机械特性的深入见解，并揭示了充电协议和循环次数对温度的影响。此外，还发现电池循环后可能会出现两种不良情况，包括电池无法承受高电流和产生过多热量，以及电池内部电阻增加导致温度升高，可能对用户安全造成潜在风险。这些研究结果为电池的设计和热管理提供了重要的指导，有助于改进高速电动车辆应用中的温度相关问题。

原文详情：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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