溫度是鋰離子電池使用中無法回避的問題，通常來說溫度關(guān)于鋰離子電池的影響是多方面的，首先低溫下由于石墨負(fù)極的動(dòng)力學(xué)條件變差，因此更容易發(fā)生析Li，其次高溫會(huì)導(dǎo)致界面的副反應(yīng)新增，引起鋰離子電池加速衰降，因此太冷或太熱都會(huì)對(duì)鋰離子電池的壽命產(chǎn)生顯著的影響。溫控技術(shù)的進(jìn)步使得鋰離子電池能夠工作在較為理想的溫度區(qū)間，大大改善了鋰離子電池的壽命，但是我們還面對(duì)一個(gè)更為普遍的問題——溫度梯度，溫度梯度是一個(gè)普遍存在的現(xiàn)象，特別是在一些大尺寸的電池中，隨著電極層數(shù)的新增，電池的熱擴(kuò)散能力受到較大的影響，因此會(huì)在垂直于極片和平行于極片方向上產(chǎn)生一定的溫度梯度。

通常來說電池內(nèi)部溫度梯度的存在會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部的電流分布不均，高溫的地方內(nèi)阻更小，因此電流相對(duì)更大，而這也會(huì)導(dǎo)致電池局部SoC狀態(tài)的不一致，從而加劇鋰離子電池的容量衰降。而近日，斯坦福大學(xué)的崔屹教授（通訊作者）和YangyingZhu（第一作者）等人研究發(fā)現(xiàn)局部高溫還存在加劇金屬Li枝晶生長(zhǎng)的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致局部短路的風(fēng)險(xiǎn)新增，影響鋰離子電池的安全性。

鋰離子電池內(nèi)部的溫度梯度是一種普遍存在的現(xiàn)象，但是如何在高空間分辨率下測(cè)量這種溫度梯度卻是比較困難的，為了提高溫度檢測(cè)的空間分辨率作者采用拉曼光譜檢測(cè)的方法（如下圖所示），溫度檢測(cè)的基本原理為在工作電極的一側(cè)新增一層石墨烯，石墨烯的拉曼光譜會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生偏移，從而達(dá)到檢測(cè)溫度的目的，溫度梯度則是通過激光（532nm）在Cu箔表面產(chǎn)生一個(gè)熱點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)。

首先作者測(cè)量了石墨烯G鍵的拉曼光譜隨溫度變化產(chǎn)生的偏移（如下圖b所示），可以看到在30-110℃的范圍內(nèi)石墨烯的G鍵偏移與溫度之間呈現(xiàn)線性相關(guān)。通過采用高分辨率的CCD相機(jī)，我們能夠獲得高分辨率的（1800gr／mm）溫度分布圖。

之前我們關(guān)于Li金屬沉積的研究多數(shù)都是基于均勻溫度場(chǎng)下進(jìn)行了，缺少在存在溫度梯度的條件下Li沉積特性研究。因此作者通過在Cu集流體上施加不同功率的激光，使得銅箔集流體上形成不同溫度的熱點(diǎn)（如上圖c所示），然后在1mA/cm2的電流密度下進(jìn)行Li沉積試驗(yàn)。

從下圖能夠看到當(dāng)激光功率分別為6.7、13.4和16.8mW，在Cu集流體上形成的熱點(diǎn)的溫度分別為51、83和99℃，從下圖a、b和c能夠看到在熱點(diǎn)附近Li沉積的速度要明顯快于周邊溫度比較低的區(qū)域。

為了分析造成熱點(diǎn)附近Li沉積速度更快的原因，作者也對(duì)Cu集流體的溫度分布和電流分布進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果表明隨著激光功率的提升，熱點(diǎn)的溫度也從55℃，逐漸提高到了90℃和108℃，這與我們檢測(cè)到的結(jié)果是非常接近的，同時(shí)由于玻璃和電解液的熱導(dǎo)率很低，加之Cu箔的厚度僅為170nm，因此激光產(chǎn)生的熱量大部分都集中在了熱點(diǎn)附近。

而銅箔上這種溫度分布的不均勻性也體現(xiàn)在了電流分布上（如下圖g-i所示），模擬中采用的電流密度為1mA/cm2，而在熱點(diǎn)出的電流密度則分別達(dá)到了21.5、182.3和311.2mA/cm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于周邊溫度較低的Cu箔處的電流密度（1mA/cm2）。

我們都知道在Li沉積的過程中過大的電流密度往往會(huì)導(dǎo)致Li枝晶的加速生長(zhǎng)，同時(shí)局部Li沉積過量也會(huì)對(duì)隔膜產(chǎn)生很大的壓力，導(dǎo)致電池更容易發(fā)生短路。因此，作者也對(duì)局部的熱點(diǎn)導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生內(nèi)短路的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了測(cè)試（如下圖所示），作者以12um厚的銅箔為工作電極，LCO電極為對(duì)電極，然后通過激光在銅箔的邊緣位置施加一個(gè)43℃的熱點(diǎn)（如下圖a所示），從下圖c-g，以及視頻中能夠看到在開始工作后，Li開始在熱點(diǎn)附近快速沉積、生長(zhǎng)，而周圍區(qū)域Li沉積的速度則仍然比較慢，在1480s后生長(zhǎng)的金屬Li就已經(jīng)接觸到了LCO電極，引起了短路的發(fā)生。

接下來作者又通過測(cè)溫電阻對(duì)短路點(diǎn)的溫度變化僅從了研究（如下圖a所示），為了保證電池在測(cè)溫電阻的處發(fā)生短路，作者也在對(duì)應(yīng)位置的銅箔上施加了一個(gè)熱點(diǎn)，并采用了恒壓充電的方式對(duì)電池進(jìn)行充電，從下圖c可以看到電池大概在300s左右發(fā)生短路，隨后電流密度開始快速上升，同時(shí)短路點(diǎn)的溫度也在不斷上升，最終達(dá)到50℃。

YangyingZhu的研究表明，局部的高溫會(huì)導(dǎo)致該位置的電流密度顯著新增（1到2個(gè)數(shù)量級(jí)），從而使得Li在該處的沉積速度大大新增，這一方面會(huì)加速Li枝晶的生長(zhǎng)，另一方面也會(huì)導(dǎo)致Li沉積的不均勻性，導(dǎo)致局部Li沉積過量，對(duì)隔膜產(chǎn)生較大的壓力，從而導(dǎo)致局部短路的風(fēng)險(xiǎn)加大，影響Li金屬電池的安全性。