原位時(shí)空超分辨熱監(jiān)測系統(tǒng)在鋰金屬電池中的應(yīng)用

鋰金屬電極因其理論容量比傳統(tǒng)鋰離子電池高出一個(gè)數(shù)量級，被認(rèn)為是創(chuàng)新性解決方案。然而，其在實(shí)際應(yīng)用中的推廣受到嚴(yán)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(fēng)險(xiǎn)，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的火災(zāi)和爆炸。因此，在LMBs的整個(gè)生命周期內(nèi)進(jìn)行嚴(yán)格的熱監(jiān)測至關(guān)重要。這不僅能降低事故風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)充分發(fā)揮鋰金屬的高容量優(yōu)勢，從而促進(jìn)高能量密度、資源高效的下一代儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展，為清潔能源轉(zhuǎn)型提供支持。

隨著電池機(jī)理和熱管理研究的深入，研究人員已確認(rèn)內(nèi)部溫度是引發(fā)熱失控的最關(guān)鍵參數(shù)。電化學(xué)傳感器可通過測量電流、電位和阻抗等參數(shù)實(shí)現(xiàn)宏觀溫度監(jiān)測。例如，Spinner等人通過單點(diǎn)電化學(xué)阻抗譜（EIS） 測量技術(shù)，成功將阻抗虛部與電池內(nèi)部溫度相關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測。然而，此類技術(shù)通常基于電池內(nèi)部溫度分布均勻假設(shè)，而實(shí)際運(yùn)行過程中，由于局部表面交換電流密度增加，電池內(nèi)部往往形成不均勻溫度分布，甚至產(chǎn)生局部高溫?zé)狳c(diǎn)，從而誘發(fā)鋰枝晶生長。

光學(xué)傳感技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了電池診斷從整體測量向局部監(jiān)測的轉(zhuǎn)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(jiān)測；比率熒光光纖傳感器則實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池的實(shí)時(shí)、原位溫度監(jiān)測，測量精度可達(dá)0.12°C。盡管這些方法具備局部監(jiān)測能力，但它們?nèi)允芟抻诠饫w布置區(qū)域，無法實(shí)現(xiàn)電極整個(gè)表面的精確分布式溫度測量。

針對這一挑戰(zhàn)，清華大學(xué)深圳國際研究生院關(guān)迅、周光敏團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種實(shí)時(shí)超分辨熱監(jiān)測（OST-SRTM）系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合光學(xué)頻域反射測量（OFDR）技術(shù)、阿基米德螺旋光纖布置以及超分辨算法，實(shí)現(xiàn)了對鋰金屬電池內(nèi)部溫度變化的高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測。該研究成果以“Operando Spatiotemporal Super-Resolution of Thermal Events Monitoring in Lithium Metal Batteries"為題發(fā)表在《National Science Review》上。清華大學(xué)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(xué)助理教授常成帥、清華大學(xué)深圳國際研究生院周光敏副教授和關(guān)迅助理教授為共同通訊作者。

研究人員將OST-SRTM系統(tǒng)在不同陽極保護(hù)策略中進(jìn)行了測試，研究了微米級金字塔圖案壓印、銅網(wǎng)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(diǎn)。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(tǒng)加工而成的。

OST-SRTM系統(tǒng)結(jié)合物理傳感與超分辨算法，實(shí)現(xiàn)了鋰金屬電池的原位時(shí)空超分辨率熱監(jiān)測。該系統(tǒng)采用光學(xué)頻域反射測量（OFDR）技術(shù)，結(jié)合阿基米德螺旋布置的光纖，實(shí)現(xiàn)了超高分辨率的溫度監(jiān)測，達(dá)到1820點(diǎn)/cm2的空間分辨率和每3秒1幀的時(shí)間分辨率。此外，系統(tǒng)利用超分辨生成對抗網(wǎng)絡(luò)（SRGAN）算法，提升溫度映射精度，并優(yōu)化數(shù)據(jù)補(bǔ)償能力，從而實(shí)現(xiàn)對鋰金屬電池整個(gè)生命周期內(nèi)溫度變化的精準(zhǔn)監(jiān)控。

圖1 OST-SRTM系統(tǒng)的原理與實(shí)驗(yàn)裝置。

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

圖2 基于 SRGAN 的超分辨率技術(shù)應(yīng)用于 OFDR 溫度數(shù)據(jù)。

圖2展示了OST-SRTM系統(tǒng)中超分辨算法的應(yīng)用。該研究通過結(jié)合OFDR系統(tǒng)與紅外熱成像技術(shù)，構(gòu)建溫度數(shù)據(jù)集，并利用超分辨生成對抗網(wǎng)絡(luò)（SRGAN）算法優(yōu)化溫度映射精度。通過對比不同插值方法，SRGAN在恢復(fù)溫度分布細(xì)節(jié)方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法能夠填補(bǔ)光纖測量中的數(shù)據(jù)空隙，實(shí)現(xiàn)更精確的溫度場重建，為高分辨率電池?zé)峁芾硖峁┝岁P(guān)鍵技術(shù)支持。

圖3 LMB 的電化學(xué)特性、整個(gè)生命周期內(nèi)的時(shí)空溫度分布以及釘刺試驗(yàn)。

圖3展示了OST-SRTM系統(tǒng)在鋰金屬電池電化學(xué)性能分析、整個(gè)生命周期的時(shí)空溫度分布監(jiān)測及釘刺測試中的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，未處理電池在長循環(huán)過程中溫度分布不均，局部熱點(diǎn)頻繁出現(xiàn)，而經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)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(tǒng)實(shí)時(shí)捕捉到受損區(qū)域的瞬態(tài)溫度變化，并驗(yàn)證了不同保護(hù)策略對熱失控的抑制效果，證明OST-SRTM系統(tǒng)能夠有效提升電池的安全性。

圖4 鋰陽極保護(hù)策略有效性的驗(yàn)證。

圖4展示了不同鋰陽極保護(hù)策略在改善鋰沉積均勻性和降低溫度熱點(diǎn)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(wǎng)圖案化及PLA涂層等優(yōu)化策略后的電池性能，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的電池在長循環(huán)過程中溫度分布更加均勻，整體安全性和穩(wěn)定性顯著提升。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步證明，采用多重保護(hù)策略能夠有效減少鋰枝晶的形成，降低熱失控風(fēng)險(xiǎn)，從而延長電池壽命，提高其在高能量密度儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。

結(jié)論：本研究開發(fā)了一種原位時(shí)空超分辨熱監(jiān)測系統(tǒng)（OST-SRTM），用于鋰金屬電池的溫度分布監(jiān)測。該系統(tǒng)基于光頻域反射測量（OFDR）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了空間分辨率16點(diǎn)/cm2，并通過超分辨算法提升至1820點(diǎn)/cm2，同時(shí)具備3秒/幀的時(shí)間分辨率。研究發(fā)現(xiàn)，局部熱點(diǎn)的形成會(huì)加劇鋰沉積的不均勻性，并可能誘發(fā)熱失控風(fēng)險(xiǎn)。通過實(shí)施金字塔壓印、銅網(wǎng)圖案化以及聚乳酸（PLA）涂層等保護(hù)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(shí)驗(yàn)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(jiān)測結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了這些策略在容量衰減過程中降低熱點(diǎn)發(fā)生的有效性。本研究不僅推動(dòng)了電池?zé)峁芾淼木珳?zhǔn)監(jiān)測，也為更安全、高效的儲(chǔ)能解決方案奠定了基礎(chǔ)，對未來可持續(xù)能源系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。