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(jí)，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(cè)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?jī)?yōu)勢(shì)，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(guò)測(cè)量電流、電位和阻抗等參數(shù)實(shí)現(xiàn)宏觀溫度監(jiān)測(cè)。例如，Spinner等人通過(guò)單點(diǎn)電化學(xué)阻抗譜（EIS） 測(cè)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(cè)。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(guò)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(zhǎng)。

光學(xué)傳感技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了電池診斷從整體測(cè)量向局部監(jiān)測(cè)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(cè)；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(cè)，測(cè)量精度可達(dá)0.12°C。盡管這些方法具備局部監(jiān)測(cè)能力，但它們?nèi)允芟抻诠饫w布置區(qū)域，無(wú)法實(shí)現(xiàn)電極整個(gè)表面的精確分布式溫度測(cè)量。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，清華大學(xué)深圳國(guó)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(cè)（OST-SRTM）系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合光學(xué)頻域反射測(cè)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(duì)鋰金屬電池內(nèi)部溫度變化的高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。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(guó)際研究生院2023級(jí)碩士張翀昊和2023級(jí)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(guó)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(yáng)極保護(hù)策略中進(jìn)行了測(cè)試，研究了微米級(jí)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(jí)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(cè)。該系統(tǒng)采用光學(xué)頻域反射測(cè)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(cè)，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(duì)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(duì)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(cè)量（OFDR）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)部溫度的高分辨率監(jiān)測(cè)。瑞利散射（RBS）用于測(cè)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(guò)超分辨生成對(duì)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(yáng)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(cè)試系統(tǒng)、紅外熱成像儀和OFDR系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池全生命周期的溫度監(jiān)測(cè)，并通過(guò)模擬鋰沉積過(guò)程驗(yàn)證不同保護(hù)策略對(duì)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(guò)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(duì)抗網(wǎng)絡(luò)（SRGAN）算法優(yōu)化溫度映射精度。通過(guò)對(duì)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(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法能夠填補(bǔ)光纖測(cè)量中的數(shù)據(jù)空隙，實(shí)現(xiàn)更精確的溫度場(chǎng)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(cè)及釘刺測(cè)試中的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，未處理電池在長(zhǎng)循環(huán)過(guò)程中溫度分布不均，局部熱點(diǎn)頻繁出現(xiàn)，而經(jīng)過(guò)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(guò)釘刺測(cè)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(duì)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(yáng)極保護(hù)策略有效性的驗(yàn)證。

圖4展示了不同鋰陽(yáng)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(zhǎng)循環(huán)過(guò)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(zhǎng)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(cè)系統(tǒng)（OST-SRTM），用于鋰金屬電池的溫度分布監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)基于光頻域反射測(cè)量（OFDR）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了空間分辨率16點(diǎn)/cm2，并通過(guò)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(guò)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(zhǎng)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(cè)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了這些策略在容量衰減過(guò)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(cè)，也為更安全、高效的儲(chǔ)能解決方案奠定了基礎(chǔ)，對(duì)未來(lái)可持續(xù)能源系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。