锂电池的局部温度过热会引起锂枝晶的快速生长和电池短路吗？

近日，美国斯坦福大学崔屹教授研究了局部过热对电池中锂金属生长的影响，并据此提出了一种可能的温度诱导电池短路机制。利用激光在锂电池内部产生局域高温，并基于微拉曼光谱学平台进行测量。由于表面交换电流密度的增加，锂沉积速率在过热区域上加快了几个数量级。作者进一步基于这些表征证明局部高温可能是导致电池短路的重要原因之一。此外，温度测量平台为详细描述储能设备的热特性打开了新的大门。该文章发表在国际顶级期刊Naturecommunications上。YangyingZhu和JinXie为本文共同第一作者。

用于局部温度测量的拉曼光谱：

实验装置。a）改进后的纽扣电池原理图（不按比例），该电池具有光学透明玻璃窗口，用于激光照射到作为温度指示剂石墨烯和铜集电极；b）石墨烯的G拉曼峰位置随温度的变化。温度系数由直线拟合(虚线)的斜率得到。插图显示了校准装置的原理图；c)研究了波长为532nm的激光在纽扣电池中产生的铜局部温度随激光功率的变化规律。

为了研究锂离子电池内部局部过热对锂生长行为的影响，作者利用拉曼光谱技术对锂离子电池局部温度的测试进行了研究。如图1所示，作者首先构建了基于拉曼的温度检测系统。利用拉曼信号精确反馈电池局部温度。（基于石墨烯的拉曼峰随温度的变化进行线性拟合）

锂在电池局部过热处的生长:

温度过热区域的锂沉积。锂沉积在Cu上的SEM图像，局域温度和激光功率分别为a）51℃（6.7mW），b）83℃（13.4mW），c）99℃（16.8mW）。d-f）通过模拟得到相应激光光斑附近的温度分布图。g-i）用激光在铜表面模拟相应条件下的锂沉积速率。

以往的报道已经对温度均匀状态下锂的生长进行了研究，但是对于局部高温状态下锂的生长研究较少。为了了解局部过热如何影响电池行为，作者在微拉曼光谱平台上研究了温度可控的局部过热点处锂的生长行为，并用扫描电镜（SEM）对其形貌进行了表征。如图2所示，作者利用激光在电池局部点产生不同程度的局部过热，并观察锂的生长情况。为了充分理解锂在非均匀温度状态下的生长，作者还利用多物理场耦合分析软件进行了模拟分析。测试结果表明局部过热可以极大地提升锂的局部沉积速率。反应动力学随温度呈指数增长的特性导致了锂离子或锂金属电池的电化学性能对温度波动的敏感性。

局部过热诱导的电池短路：

电池内部短路会导致局部过热和局部锂的快速生长。基于此，作者提出：内部局部过热可能会导致电池短路的发生。并且，作者在电池内部搭建了局部温度传感控制系统并进行局部过热试验证实了这个猜想。

局部过热诱导的电池短路。a)以铜和锂钴氧化物（LCO）为电极的光学电池原理图。b）电池在以30μA恒定电流放电的电压-时间曲线。短路开始后，电压开始出现下降和波动。c）开始t0=0s时，短路前d）t1=760s，e）t2=1160s；f）开始短路t3=1480s，g）短路后t4=1800s这几个阶段的锂生长状况。

局部过热诱导的电池短路和局部温度响应。a）在铜-LCO（锂钴氧化物）缺口和激光热点处带有电阻温度检测器（RTD）光学元件的原理图；b）电阻随温度变化校正。