鋰離子電池內部溫度測量

????? ?隨著電池性能的提升，大容量、高比能的電池高速發展，為保證電池穩定工作和可靠管理，需要精準測量其工作過程中的參量。作為電池安全狀態的重要表征參量，溫度同時在壽命預測、熱失控預警、熱管理決策等多個層面起著關鍵作用。電池技術隨時代而不斷更新迭代，電池監測裝置也不斷改進提升（圖1），不過，直接測量電池內部溫度仍存在重重困難，傳統的通過大型實驗裝置來探測鋰電池內部溫度的方法無法實現車載應用，而通過直接植入光纖/去除部分活性材料的方法會導致電池的極片凸起、活性材料損傷和電化學性能損傷，并且無法實現商業化應用。本文以鋰離子電池為研究對象，介紹了電池內部溫度特性，介紹內部溫度的測量方法及相關應用。最后，對電池內部溫度測量及電池管理做出未來展望。

圖1 電池傳感發展歷程

????? ?作為電池使用過程中表征電池安全狀態最直接、最有效的參數指標，電池內部溫度的原位監測是電池管理的一個重要輸入。目前，大多數商用電池管理系統都依賴于電池的表面溫度測量，然而，由于電池內部產生熱量，相較于表面排熱，內部溫度高于表面溫度。因此，準確的內部溫度監測方法對于提高電池的安全和健康至關重要。

????? ?鋰離子電池內部溫度的變化主要來源于其內部產生的熱量，包括化學反應（如電解質與電極的反應）、熱分解（電解質在一定溫度下分解）、電阻熱（電流通過內部阻抗產生的熱量）、活性物質的焓變等復雜因素，它們共同作用導致電池內部溫度變化。內部溫度是一個重要的老化加速器，影響電池容量和功率特性。一些常見老化效應包括鍍鋰層、SEI膜生長、可循環鋰的損失和顆粒裂紋。此外，當內部產熱過多導致溫度過高時，熱失控、排氣、火災或爆炸等安全危險的風險更高。

????? ?另外，內部溫度是電池熱管理中的重要指標。當電池溫度過高時會破壞電池內部結構，引發熱失控，發生燃燒、爆炸等風險；電池溫度過低時，電池容量降低，會產生析鋰等危害。因此，對電池的內部溫度進行有效監測可以提前規避損傷電池事故發生。

3.1?電化學阻抗譜

????? ?電化學阻抗譜(EIS)是一種無損的參數測定和有效的電池動力學行為測定方法，可以監測內阻、電荷轉移電阻、雙層電容和擴散等參數。同時，EIS能夠在一定程度上避免使用表面溫度傳感器時出現的傳熱延遲難題，是一種非破壞性、非侵入性技術。

????? ?基于電池阻抗特性進行溫度估計的方法被眾多專家研究，通過建立阻抗特征參數與內部溫度之間的關系，使用特征參數如阻抗幅值和阻抗相角進行溫度估計，不過該方法需要依靠阻抗在線測量裝置進行車載應用，仍需進行改進。Dong Peng等人利用電化學阻抗譜（EIS）對電池溫度和變形的相關性來生成具有三個頻率范圍內的三個指標的兩階段警告方法，但是阻抗測量耗時較長。Srinivasan等人基于電阻隨溫度變化的影響提出了在特定頻率下電化學阻抗的相位角與內部溫度之間的相關性，對于LiCoO2電池，40至100Hz之間的頻率對溫度變化高度敏感，同時對荷電狀態（SOC）和健康狀態（SOH）的變化不敏感。由于電池SOC和SOH會對EIS曲線造成不可忽計的影響，如何在保證模型精度的同時縮短測量時間，實現電池內部溫度的高精確預估，成為限制該方法的難題。

3.2?光纖傳感器

????? ?光纖傳感器具有體積小、可復用等優點，已成為實現對每個電池單元進行多參數分布式監測的理想工具。光纖布拉格光柵（Fiber bragg grating，FBG）作為一種前景廣闊的傳感單元，現已廣泛用于監測電池內外的溫度和應變，如圖2（c）所示。光纖布拉格光柵傳感器不僅可以嵌入電池中測量熱行為，還可以附著在每個電池的表面，實現對電池組溫度和應變的分布式測量。隨著光纖傳感器的發展，基于光頻域反射（OFDR）的高分辨率全光纖分布式傳感器已被用于電池的應變和溫度監測，如圖2（a）、（b）所示。

????? ?FBG傳感器的波長變化不僅受到鋰電池內部溫度的影響，其內部壓力也會造成傳感器的輸出波長發生變化。因此，使用FBG測量溫度時，必須解決應力耦合的影響。Huang等[68]通過將松散排列的直徑為150μm的單模FBG光纖傳感器插入到18650電池的卷芯中間來排除應變的耦合效應。Sommer等通過在鋰離子電池表面安裝兩個平行的FBG傳感器排列來測量補償應變，其中一個與電池剛性粘合，而另一個用導熱劑松散地粘合。因此，考慮到FBG傳感器的交叉敏感性問題，有必要在實際測量中將應變與溫度解耦，FBG的植入也會對鋰電池內部造成機械侵入，導致鋰電池內部發生凸起。因此，需要合理選擇內部溫度傳感器，確保傳感器在工作時的機械可靠性、化學穩定性和測量準確性，同時設計傳感器保護裝置避免極片凸起。

圖2 光纖傳感器的應用（a）OFDR原理（b）OFDR植入電池（c）FBG植入18650電池

3.3?植入式薄膜傳感器

????? ?隨著電池技術發展，體積較大的傳統傳感設備逐漸難以適用，如何在保證其性能的基礎上縮小傳感器并植入進電池內部，成為科研人員的一道難題，由此，薄膜傳感器應運而生。

????? ?由于傳感器是柔性的，且電阻與溫度和應變有關，因此這種耦合效應可能會影響測量的準確性。Parekh等利用內阻溫度檢測器對鋰電池內部溫度進行原位測量并實現對熱失控時電池內部溫度的探測。Joe等將薄膜式熱敏電阻植入到18650電池內部空腔和軟包電池負極與隔膜間的中部位置，發現這種植入會造成電池的容量損失，提高鋰沉積風險，如圖3（a）。ZHU等[76]開發了一種將多點RTD傳感器與電極集成的新方法，通過刮除電極表面部分活性材料并安裝薄膜RTD，從而在不破壞電池內部主體結構的同時實現對電池內部多點溫度的準確測量，如圖3（b）。Martiny等利用電容耦合效應研發了一種可將信號進行無線傳輸的熱電阻傳感器，使用數字傳輸方案和相應的組件，提供多個溫度傳感器的可靠且快速的數據傳輸。

圖3 植入式薄膜傳感器的應用（a）圓柱電池（b）軟包電池

????? ?鋰離子電池是當前電動汽車和儲能裝置的核心組件，電池大型化帶來的電池內溫度分布不均勻性增加為電池管理提出了新的難題。電池內部溫度的精確測量是實現壽命預測、熱失控預警、熱管理決策等多個層面的關鍵之處，制約電池內部溫度分布監測的難點在于鋰離子電池疊片/卷繞等分布式特征及其內部復雜的電化學環境，這些都阻礙了傳感器的無損植入和精確測量。同時傳感器與電池制造工藝的兼容性和耐腐蝕性仍欠缺實驗驗證，大部分的技術仍然局限于實驗階段，不具有普適性。

????? ?未來，鋰離子電池發展的方向應該是高比能、大型化，電池內部溫度的傳感信息，特別是大容量單體內部的信息，在電池管理和熱失控預警中的價值逐漸被挖掘。下一階段新型的傳感器植入方法應著重于在無損或低損傷的前提下，通過精準監測電池內部溫度，映射于高/低溫管理、常規工況管理、大倍率充放電管理、安全管理等方面（如圖4），有效揭示鋰離子電池熱力學失效的機理，為進一步設計和優化新型鋰離子電池并實現智能電池管理提供重要依據。

圖4 智能電池管理

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