摘要：锂金属电极因其理论容量比传统锂离子电池高出一个数量级，被认为是颠覆性解决方案。然而，其在实际应用中的推广受到严重的安全问题限制。研究表明，锂金属电池（LMBs）的降解及安全性受温度影响显著，尤其是热失控风险，可能导致严重的火灾和爆炸。因此，在LMBs的整个生命
锂金属电极因其理论容量比传统锂离子电池高出一个数量级，被认为是颠覆性解决方案。然而，其在实际应用中的推广受到严重的安全问题限制。研究表明，锂金属电池（LMBs）的降解及安全性受温度影响显著，尤其是热失控风险，可能导致严重的火灾和爆炸。因此，在LMBs的整个生命周期内进行严格的热监测至关重要。这不仅能降低事故风险，同时充分发挥锂金属的高容量优势，从而促进高能量密度、资源高效的下一代储能系统发展，为清洁能源转型提供支持。
随着电池机理和热管理研究的深入，研究人员已确认内部温度是引发热失控的最关键参数。电化学传感器可通过测量电流、电位和阻抗等参数实现宏观温度监测。例如，Spinner等人通过单点电化学阻抗谱（EIS） 测量技术，成功将阻抗虚部与电池内部温度相关联，从而实现实时温度监测。然而，此类技术通常基于电池内部温度分布均匀假设，而实际运行过程中，由于局部表面交换电流密度增加，电池内部往往形成不均匀温度分布，甚至产生局部高温热点，从而诱发锂枝晶生长。
光学传感技术的进步推动了电池诊断从整体测量向局部监测的转变。例如，光纤布拉格光栅（FBG）传感器已用于商用18650电池的温度与压力监测；比率荧光光纤传感器则实现了锂离子电池的实时、原位温度监测，测量精度可达0.12°C。尽管这些方法具备局部监测能力，但它们仍受限于光纤布置区域，无法实现电极整个表面的精确分布式温度测量。
针对这一挑战，清华大学深圳国际研究生院关迅、周光敏团队开发了一种实时超分辨热监测（OST-SRTM）系统，该系统结合光学频域反射测量（OFDR）技术、阿基米德螺旋光纤布置以及超分辨算法，实现了对锂金属电池内部温度变化的高精度实时监测。该研究成果以“Operando Spatiotemporal Super-Resolution of Thermal Events Monitoring in Lithium Metal Batteries”为题发表在《National Science Review》上。清华大学深圳国际研究生院2023级硕士张翀昊和2023级博士刘泽丛为共同第一作者，深圳大学助理教授常成帅、清华大学深圳国际研究生院周光敏副教授和关迅助理教授为共同通讯作者。
OST-SRTM系统结合物理传感与超分辨算法，首次实现了锂金属电池的原位时空超分辨率热监测。该系统采用光学频域反射测量（OFDR）技术，结合阿基米德螺旋布置的光纤，实现了超高分辨率的温度监测，达到1820点/cm²的空间分辨率和每3秒1帧的时间分辨率。此外，系统利用超分辨生成对抗网络（SRGAN）算法，提升温度映射精度，并优化数据补偿能力，从而实现对锂金属电池整个生命周期内温度变化的精准监控。
图1 OST-SRTM系统的原理与实验装置。
图1展示了OST-SRTM系统的工作原理及实验装置，包括LMB软包电池的结构、光纤布置及信号处理流程。该系统采用阿基米德螺旋布置的单模光纤（SMF），并结合光学频域反射测量（OFDR）技术，实现电池内部温度的高分辨率监测。瑞利散射（RBS）用于测量光纤的散射信号变化，从而获取不同位置的温度数据，并通过超分辨生成对抗网络（SRGAN）算法将其由1D映射至2D，提升温度精度。此外，该系统采用金字塔压印、铜网图案化以及聚乳酸（PLA）涂层等锂阳极保护策略，以优化锂沉积均匀性，减少热点形成。实验装置包括电池测试系统、红外热成像仪和OFDR系统，实现对电池全生命周期的温度监测，并通过模拟锂沉积过程验证不同保护策略对降低热积累的有效性。
图2 基于 SRGAN 的超分辨率技术应用于 OFDR 温度数据。
图2展示了OST-SRTM系统中超分辨算法的应用。该研究通过结合OFDR系统与红外热成像技术，构建温度数据集，并利用超分辨生成对抗网络（SRGAN）算法优化温度映射精度。通过对比不同插值方法，SRGAN在恢复温度分布细节方面表现出显著优势。实验结果表明，该算法能够填补光纤测量中的数据空隙，实现更精确的温度场重建，为高分辨率电池热管理提供了关键技术支持。
图3 LMB 的电化学特性、整个生命周期内的时空温度分布以及钉刺试验。
图3展示了OST-SRTM系统在锂金属电池电化学性能分析、整个生命周期的时空温度分布监测及钉刺测试中的应用。研究发现，未处理电池在长循环过程中温度分布不均，局部热点频繁出现，而经过优化设计的电池温度更加均匀，整体热管理性能得到显著改善。此外，通过钉刺测试，系统实时捕捉到受损区域的瞬态温度变化，并验证了不同保护策略对热失控的抑制效果，证明OST-SRTM系统能够有效提升电池的安全性。
图4 锂阳极保护策略有效性的验证。
图4展示了不同锂阳极保护策略在改善锂沉积均匀性和降低温度热点方面的效果。研究比较了未处理电池与采用金字塔压印、铜网图案化及PLA涂层等优化策略后的电池性能，发现优化后的电池在长循环过程中温度分布更加均匀，整体安全性和稳定性显著提升。实验数据进一步证明，采用多重保护策略能够有效减少锂枝晶的形成，降低热失控风险，从而延长电池寿命，提高其在高能量密度储能系统中的应用潜力。
结论：本研究开发了一种原位时空超分辨热监测系统（OST-SRTM），用于锂金属电池的温度分布监测。该系统基于光频域反射测量（OFDR）技术，实现了空间分辨率16点/cm²，并通过超分辨算法提升至1820点/cm²，同时具备3秒/帧的时间分辨率。研究发现，局部热点的形成会加剧锂沉积的不均匀性，并可能诱发热失控风险。通过实施金字塔压印、铜网图案化以及聚乳酸（PLA）涂层等保护策略，有效改善了电池的温度均匀性，并显著延长了电池寿命。实验表明，采用这些策略的电池在容量衰减延迟方面分别提升了16.7%、25%和45.8%，且平均温度较未处理电池分别降低了4.02°C、4.32°C和6.84°C。OST-SRTM的监测结果进一步验证了这些策略在容量衰减过程中降低热点发生的有效性。本研究不仅推动了电池热管理的精准监测，也为更安全、高效的储能解决方案奠定了基础，对未来可持续能源系统的发展具有重要意义。
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来源：高分子科学前沿
