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電動(dòng)汽車(chē)需要較高的充電和放電率，從而也產(chǎn)生了潛在危險(xiǎn)的溫升。在制造過(guò)程后，鋰離子電池是密閉的，這使得內(nèi)部溫度探測(cè)極具挑戰(zhàn)性。利用X射線衍射X-ray diffraction，XRD跟蹤集電器膨脹，有望實(shí)現(xiàn)內(nèi)部溫度的無(wú)損測(cè)量；然而，已知圓柱形的電池內(nèi)部，經(jīng)歷了復(fù)雜的應(yīng)變過(guò)程。

在此，英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院T. M. M. Heenan，P. R. Shearing等人基于兩種先進(jìn)的同步加速器XRD方法，表征了高速率（高于3C）運(yùn)行鋰離子18650電池的充電狀態(tài)、機(jī)械應(yīng)變和溫度：第一，開(kāi)路冷卻期間的整個(gè)橫截面溫度圖，第二，充電-放電循環(huán)期間的單點(diǎn)溫度。研究表明，在能量?jī)?yōu)化電池（3.5Ah）上，20分鐘放電導(dǎo)致了內(nèi)部溫度高于70°C，而在功率優(yōu)化電池（1.5Ah）上，更快的12分鐘放電，會(huì)導(dǎo)致溫度顯著降低（低于50°C）。

然而，當(dāng)在相同電流下比較兩種電池時(shí)，峰值溫度是相似的，例如，對(duì)于兩種電池類(lèi)型，6A放電導(dǎo)致40°C峰值溫度。為此，操作operando溫度上升，主要是由于熱量積累，受到充電規(guī)程（例如，恒定電流和/或恒定電壓）的強(qiáng)烈影響；隨著循環(huán)而惡化的機(jī)制，因?yàn)槭г黾恿穗姵仉娮琛?/span>

圖1. 基于X射線衍射X-ray diffraction，XRD – 斷層掃描Computed tomography CT的原位內(nèi)部溫度圖

總之，一維點(diǎn)和二維測(cè)繪測(cè)量為操作電池的熱機(jī)械特征提供了實(shí)質(zhì)性的見(jiàn)解，然而，可以提取的信息本身就受到限制。進(jìn)一步解析空間維度(三維)的能力，允許內(nèi)部測(cè)量和熱與電化學(xué)變化的機(jī)械貢獻(xiàn)解耦。本工作提出了兩種方法來(lái)準(zhǔn)確地(±3 ^oC)量化商業(yè)鋰離子18650在高速(高達(dá)10.0 A)運(yùn)行時(shí)的內(nèi)部溫度，而無(wú)需修改或拆卸電池。此外，微小的改變將允許研究其它電池的幾何形狀，例如2170和4680，以及非標(biāo)準(zhǔn)的微觀結(jié)構(gòu)，例如超薄集熱器。

使用XRD-CT的溫度映射顯示，在放電結(jié)束時(shí)，電池內(nèi)達(dá)到的峰值溫度相對(duì)均勻(空間上)，并且該溫度峰值的大小在很大程度上取決于所使用的電流。MCC-XRD溫度映射方法表明，該溫度峰值是由于熱量的積累而達(dá)到的，并且受到充電協(xié)議(例如使用CC或CC-CV等)的強(qiáng)烈影響。本文還討論了對(duì)廢舊電池的影響(例如1000多個(gè)循環(huán))，提出了兩個(gè)關(guān)鍵的不希望出現(xiàn)的情況。第一種，電池不能再承受高電流，因此不能產(chǎn)生大量的焦耳加熱，因此很可能無(wú)法保修，需要更換。第二種情況有潛在的安全隱患，在這種情況下，電池仍然能夠接收高電流，但內(nèi)部電阻也比原始狀態(tài)更高，從而產(chǎn)生更多的熱量和更高的內(nèi)部溫度，可能危及用戶。未來(lái)的研究可能會(huì)通過(guò)實(shí)時(shí)量化來(lái)擴(kuò)展這些情景，從而為計(jì)算建模提供信息，并可能包括表明每種情景概率的統(tǒng)計(jì)分析。

圖2. 循環(huán)后的內(nèi)部溫度

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

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Nature：繪制高倍率電池應(yīng)用期間的內(nèi)部溫度圖

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