近日，美國斯坦福大學(xué)崔屹教授研究了局部過熱對電池中鋰金屬生長的影響，并據(jù)此提出了一種可能的溫度誘導(dǎo)電池短路機(jī)制。利用激光在鋰電池內(nèi)部產(chǎn)生局域高溫，并基于微拉曼光譜學(xué)平臺(tái)進(jìn)行測量。由于表面交換電流密度的增加，鋰沉積速率在過熱區(qū)域上加快了幾個(gè)數(shù)量級。作者進(jìn)一步基于這些表征證明局部高溫可能是導(dǎo)致電池短路的重要原因之一。此外，溫度測量平臺(tái)為詳細(xì)描述儲(chǔ)能設(shè)備的熱特性打開了新的大門。該文章發(fā)表在國際頂級期刊Naturecommunications上。YangyingZhu和JinXie為本文共同第一作者。

用于局部溫度測量的拉曼光譜：

實(shí)驗(yàn)裝置。a）改進(jìn)后的紐扣電池原理圖（不按比例），該電池具有光學(xué)透明玻璃窗口，用于激光照射到作為溫度指示劑石墨烯和銅集電極；b）石墨烯的G拉曼峰位置隨溫度的變化。溫度系數(shù)由直線擬合(虛線)的斜率得到。插圖顯示了校準(zhǔn)裝置的原理圖；c)研究了波長為532nm的激光在紐扣電池中產(chǎn)生的銅局部溫度隨激光功率的變化規(guī)律。

為了研究鋰離子電池內(nèi)部局部過熱對鋰生長行為的影響，作者利用拉曼光譜技術(shù)對鋰離子電池局部溫度的測試進(jìn)行了研究。如圖1所示，作者首先構(gòu)建了基于拉曼的溫度檢測系統(tǒng)。利用拉曼信號精確反饋電池局部溫度。（基于石墨烯的拉曼峰隨溫度的變化進(jìn)行線性擬合）

鋰在電池局部過熱處的生長:

溫度過熱區(qū)域的鋰沉積。鋰沉積在Cu上的SEM圖像，局域溫度和激光功率分別為a）51℃（6.7mW），b）83℃（13.4mW），c）99℃（16.8mW）。d-f）通過模擬得到相應(yīng)激光光斑附近的溫度分布圖。g-i）用激光在銅表面模擬相應(yīng)條件下的鋰沉積速率。

以往的報(bào)道已經(jīng)對溫度均勻狀態(tài)下鋰的生長進(jìn)行了研究，但是對于局部高溫狀態(tài)下鋰的生長研究較少。為了了解局部過熱如何影響電池行為，作者在微拉曼光譜平臺(tái)上研究了溫度可控的局部過熱點(diǎn)處鋰的生長行為，并用掃描電鏡（SEM）對其形貌進(jìn)行了表征。如圖2所示，作者利用激光在電池局部點(diǎn)產(chǎn)生不同程度的局部過熱，并觀察鋰的生長情況。為了充分理解鋰在非均勻溫度狀態(tài)下的生長，作者還利用多物理場耦合分析軟件進(jìn)行了模擬分析。測試結(jié)果表明局部過熱可以極大地提升鋰的局部沉積速率。反應(yīng)動(dòng)力學(xué)隨溫度呈指數(shù)增長的特性導(dǎo)致了鋰離子或鋰金屬電池的電化學(xué)性能對溫度波動(dòng)的敏感性。

局部過熱誘導(dǎo)的電池短路：

電池內(nèi)部短路會(huì)導(dǎo)致局部過熱和局部鋰的快速生長。基于此，作者提出：內(nèi)部局部過熱可能會(huì)導(dǎo)致電池短路的發(fā)生。并且，作者在電池內(nèi)部搭建了局部溫度傳感控制系統(tǒng)并進(jìn)行局部過熱試驗(yàn)證實(shí)了這個(gè)猜想。

局部過熱誘導(dǎo)的電池短路。a)以銅和鋰鈷氧化物（LCO）為電極的光學(xué)電池原理圖。b）電池在以30μA恒定電流放電的電壓-時(shí)間曲線。短路開始后，電壓開始出現(xiàn)下降和波動(dòng)。c）開始t0=0s時(shí)，短路前d）t1=760s，e）t2=1160s；f）開始短路t3=1480s，g）短路后t4=1800s這幾個(gè)階段的鋰生長狀況。

局部過熱誘導(dǎo)的電池短路和局部溫度響應(yīng)。a）在銅-LCO（鋰鈷氧化物）缺口和激光熱點(diǎn)處帶有電阻溫度檢測器（RTD）光學(xué)元件的原理圖；b）電阻隨溫度變化校正。