原位時空超分辨熱監測系統在鋰金屬電池中的應用

鋰金屬電極因其理論容量比傳統鋰離子電池高出一個數量級，被認為是創新性解決方案。然而，其在實際應用中的推廣受到嚴重的安全問題限制。研究表明，鋰金屬電池（LMBs）的降解及安全性受溫度影響顯著，尤其是熱失控風險，可能導致嚴重的火災和爆炸。因此，在LMBs的整個生命周期內進行嚴格的熱監測至關重要。這不僅能降低事故風險，同時充分發揮鋰金屬的高容量優勢，從而促進高能量密度、資源高效的下一代儲能系統發展，為清潔能源轉型提供支持。

隨著電池機理和熱管理研究的深入，研究人員已確認內部溫度是引發熱失控的最關鍵參數。電化學傳感器可通過測量電流、電位和阻抗等參數實現宏觀溫度監測。例如，Spinner等人通過單點電化學阻抗譜（EIS） 測量技術，成功將阻抗虛部與電池內部溫度相關聯，從而實現實時溫度監測。然而，此類技術通常基于電池內部溫度分布均勻假設，而實際運行過程中，由于局部表面交換電流密度增加，電池內部往往形成不均勻溫度分布，甚至產生局部高溫熱點，從而誘發鋰枝晶生長。

光學傳感技術的進步推動了電池診斷從整體測量向局部監測的轉變。例如，光纖布拉格光柵（FBG）傳感器已用于商用18650電池的溫度與壓力監測；比率熒光光纖傳感器則實現了鋰離子電池的實時、原位溫度監測，測量精度可達0.12°C。盡管這些方法具備局部監測能力，但它們仍受限于光纖布置區域，無法實現電極整個表面的精確分布式溫度測量。

針對這一挑戰，清華大學深圳國際研究生院關迅、周光敏團隊開發了一種實時超分辨熱監測（OST-SRTM）系統，該系統結合光學頻域反射測量（OFDR）技術、阿基米德螺旋光纖布置以及超分辨算法，實現了對鋰金屬電池內部溫度變化的高精度實時監測。該研究成果以“Operando Spatiotemporal Super-Resolution of Thermal Events Monitoring in Lithium Metal Batteries"為題發表在《National Science Review》上。清華大學深圳國際研究生院2023級碩士張翀昊和2023級博士劉澤叢為共同第一作者，深圳大學助理教授常成帥、清華大學深圳國際研究生院周光敏副教授和關迅助理教授為共同通訊作者。

研究人員將OST-SRTM系統在不同陽極保護策略中進行了測試，研究了微米級金字塔圖案壓印、銅網圖案化及聚乳酸（PLA）涂層等方法，以改善鋰沉積均勻性，降低溫度熱點。其中微米級金字塔圖案壓印方法中用到的金字塔模具是利用摩方精密nanoArch^® S140（精度：10 μm）3D打印系統加工而成的。

OST-SRTM系統結合物理傳感與超分辨算法，實現了鋰金屬電池的原位時空超分辨率熱監測。該系統采用光學頻域反射測量（OFDR）技術，結合阿基米德螺旋布置的光纖，實現了超高分辨率的溫度監測，達到1820點/cm2的空間分辨率和每3秒1幀的時間分辨率。此外，系統利用超分辨生成對抗網絡（SRGAN）算法，提升溫度映射精度，并優化數據補償能力，從而實現對鋰金屬電池整個生命周期內溫度變化的精準監控。

圖1 OST-SRTM系統的原理與實驗裝置。

圖1展示了OST-SRTM系統的工作原理及實驗裝置，包括LMB軟包電池的結構、光纖布置及信號處理流程。該系統采用阿基米德螺旋布置的單模光纖（SMF），并結合光學頻域反射測量（OFDR）技術，實現電池內部溫度的高分辨率監測。瑞利散射（RBS）用于測量光纖的散射信號變化，從而獲取不同位置的溫度數據，并通過超分辨生成對抗網絡（SRGAN）算法將其由1D映射至2D，提升溫度精度。此外，該系統采用金字塔壓印、銅網圖案化以及聚乳酸（PLA）涂層等鋰陽極保護策略，以優化鋰沉積均勻性，減少熱點形成。實驗裝置包括電池測試系統、紅外熱成像儀和OFDR系統，實現對電池全生命周期的溫度監測，并通過模擬鋰沉積過程驗證不同保護策略對降低熱積累的有效性。

圖2 基于 SRGAN 的超分辨率技術應用于 OFDR 溫度數據。

圖2展示了OST-SRTM系統中超分辨算法的應用。該研究通過結合OFDR系統與紅外熱成像技術，構建溫度數據集，并利用超分辨生成對抗網絡（SRGAN）算法優化溫度映射精度。通過對比不同插值方法，SRGAN在恢復溫度分布細節方面表現出顯著優勢。實驗結果表明，該算法能夠填補光纖測量中的數據空隙，實現更精確的溫度場重建，為高分辨率電池熱管理提供了關鍵技術支持。

圖3 LMB 的電化學特性、整個生命周期內的時空溫度分布以及釘刺試驗。

圖3展示了OST-SRTM系統在鋰金屬電池電化學性能分析、整個生命周期的時空溫度分布監測及釘刺測試中的應用。研究發現，未處理電池在長循環過程中溫度分布不均，局部熱點頻繁出現，而經過優化設計的電池溫度更加均勻，整體熱管理性能得到顯著改善。此外，通過釘刺測試，系統實時捕捉到受損區域的瞬態溫度變化，并驗證了不同保護策略對熱失控的抑制效果，證明OST-SRTM系統能夠有效提升電池的安全性。

圖4 鋰陽極保護策略有效性的驗證。

圖4展示了不同鋰陽極保護策略在改善鋰沉積均勻性和降低溫度熱點方面的效果。研究比較了未處理電池與采用金字塔壓印、銅網圖案化及PLA涂層等優化策略后的電池性能，發現優化后的電池在長循環過程中溫度分布更加均勻，整體安全性和穩定性顯著提升。實驗數據進一步證明，采用多重保護策略能夠有效減少鋰枝晶的形成，降低熱失控風險，從而延長電池壽命，提高其在高能量密度儲能系統中的應用潛力。

結論：本研究開發了一種原位時空超分辨熱監測系統（OST-SRTM），用于鋰金屬電池的溫度分布監測。該系統基于光頻域反射測量（OFDR）技術，實現了空間分辨率16點/cm2，并通過超分辨算法提升至1820點/cm2，同時具備3秒/幀的時間分辨率。研究發現，局部熱點的形成會加劇鋰沉積的不均勻性，并可能誘發熱失控風險。通過實施金字塔壓印、銅網圖案化以及聚乳酸（PLA）涂層等保護策略，有效改善了電池的溫度均勻性，并顯著延長了電池壽命。實驗表明，采用這些策略的電池在容量衰減延遲方面分別提升了16.7%、25%和45.8%，且平均溫度較未處理電池分別降低了4.02°C、4.32°C和6.84°C。OST-SRTM的監測結果進一步驗證了這些策略在容量衰減過程中降低熱點發生的有效性。本研究不僅推動了電池熱管理的精準監測，也為更安全、高效的儲能解決方案奠定了基礎，對未來可持續能源系統的發展具有重要意義。