《JOURNAL OF POWER SOURCES》：Mechanistic insights into the thermal runaway of cylindrical lithium-ion cells with lithium plating using high speed X-ray computed tomography
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本研究利用高速X射线计算机断层扫描（CT）技术，对经低温循环（?10 °C和?20 °C）诱导锂沉积的圆柱形21700锂离子电池（NCA正极/石墨-SiOx负极）在斜坡加热滥用条件下的热失控（TR）行为进行了原位研究。研究人员发现，未老化及室温老化电池的热失控
本研究利用高速X射线计算机断层扫描（CT）技术，对经低温循环（?10 °C和?20 °C）诱导锂沉积的圆柱形21700锂离子电池（NCA正极/石墨-SiOx负极）在斜坡加热滥用条件下的热失控（TR）行为进行了原位研究。研究人员发现，未老化及室温老化电池的热失控均起始于靠近外部热源的外层卷绕区域，而低温老化电池的热失控则起始于卷绕芯部，该区域与高机械应力和锂沉积易发区域相对应。锂沉积降低了负极热稳定性，导致芯部在较低温度下触发失效。热失控传播速率分析表明，容量保持较高的未老化电池表现出更快的失效动力学（环向传播>1.70 m s?1），而重度沉积电池（?10 °C老化）因多成核位点同时触发而失效持续时间较短；中度沉积电池（?20 °C老化）因内外层热稳定性梯度较大，传播速率最慢（径向约7.3×10?3 m s?1），失效持续时间最长（约2.375 s）。研究还发现，斜坡加热协议较热-等待-搜索（HWS）协议产生较温和的失效事件，更接近实际电池包中相邻电池失效传播的场景。该研究首次通过高速X射线CT直接可视化锂沉积电池热失控的起始与传播动态，揭示了圆柱形电池架构在低温滥用条件下的脆弱性，为冷气候应用电池的安全设计提供了重要依据。
研究背景：锂离子电池（LIBs）在消费电子、电动汽车和航空航天等领域广泛应用，提高能量密度可能导致更严重的失效后果。热失控（TR）是自传播的放热反应级联，可由机械损伤、高温暴露及外部/内部短路（ESCs/ISCs）触发。锂沉积是低温充电时石墨负极表面负过电位过大导致的金属锂沉积现象，会降低电极热稳定性并可能 piercing 隔膜引发ISCs。前人研究已对原始和环境老化电池的失效进行了广泛研究，但低温循环所致锂沉积对失效起始和传播力学的影响尚不清楚。研究人员旨在通过高速X射线成像结合热滥用测试，定位热失控起始位点并实时追踪其传播，揭示冷气候条件下电池的架构脆弱性。
关键技术方法：采用商用21700 Molicel P42A电池（4.2 Ah，NCA正极/石墨-SiOx负极），在～25 °C、?10 °C和?20 °C下各老化两组电池（最多50次1C循环）。利用欧洲同步辐射装置（ESRF）ID19线站的高速X射线CT（85 keV，像素尺寸20 μm，采集时间0.025 s/层析图）结合定制热滥用测试腔（Pfaff等人开发），通过250 °C热风枪斜坡加热触发失效，电池以20 Hz旋转实现四维成像。使用Nabu软件进行滤波反投影（FBP）重建，ImageJ软件追踪失效传播并进行伪定量测量。热像仪（VarioCAM HD）和热电偶辅助温度监测。
研究结果：
3.1 老化行为与锂沉积：?10 °C老化电池平均容量损失达?51.16% ± 2.82%（44次循环），库仑效率降至98.31%；?20 °C老化电池因两次意外温度中断导致部分容量恢复，最终容量损失?17.42% ± 2.73%。室温老化电池容量损失仅?6.23% ± 0.24%，库仑效率稳定在99.55%。容量损失与不可逆锂沉积的电化学特征一致。
3.2 原始与室温老化电池的热失控：热失控起始于外层卷绕区域（靠近外部热源、两正极耳之间），环向传播速率>1.70 m s
?1，径向传播>0.15 m s
?1，总失效时间<0.60 s。失效后观察到凝固铜球，表明温度超过铜熔点（1085 °C）。室温老化电池失效动力学与原始电池相似，与其相近的存储能量（16.14 Wh vs 17.23 Wh）一致。
3.3 低温老化电池的热失控：?10 °C和?20 °C老化电池热失控均起始于卷绕芯部，该区域因绕卷张力导致的机械应力和高电流密度而易发生锂沉积。?10 °C老化电池（Cell 5）同时存在外层起始点，环向传播>0.13 m s
?1，径向传播>0.044 m s
?1，失效时间0.675 s；?20 °C老化电池（Cell 7）仅芯部起始，径向传播速率仅7.3×10
?3 m s
?1，失效持续时间约2.375 s。研究人员提出，中度沉积电池内外层热稳定性梯度较大，外层需更高温度才能触发失效，导致传播减慢；重度沉积电池多成核位点同时触发则缩短失效时间。低温老化电池失效后喷射物较少，峰值温度较低（Cell 8约340 °C），与其较低存储能量（平均8.11 Wh和11.79 Wh）一致。
讨论与结论：本研究首次利用高速X射线CT直接可视化锂沉积电池热失控的内部失效动态。与未沉积或室温老化电池从外层失效不同，零下温度老化电池从卷绕芯部起始热失控，证实了锂沉积与失效起始的关联，揭示了圆柱形电池架构的关键脆弱性。传播速率差异主要受存储能量和锂沉积严重程度影响，失效持续时间与成核位点数量相关。斜坡加热协议较HWS协议产生较温和失效，更接近实际相邻电池失效传播场景。研究强调冷气候应用电池设计需考虑老化条件和电池架构，未来需扩大样本量、扩展至其他化学体系和形状因子，并结合中子或核磁共振成像（NMRI）精确映射锂沉积分布以关联失效动力学。
