破解锂电池安全问题有了新方案
近年来，能源电池技术及相关应用发展迅速，相关安全问题也日益凸显。日前记者从北京理工大学获悉，该校先进结构技术研究院陈浩森教授团队自主研制了一种电池单体无损植入式智能传感系统，可长期、稳定且准确地测量、无线传输电池内部信号，实现早期故障诊断与预警，从而显著提升电池的安全性和长期运行稳定性。该研究成果近日发表在《自然》杂志上。
传统外部传感技术难以实现电池内部风险信号的早期精准识别，植入式内部传感技术成为备受期待的研究热点，但欧美提出的植入方案，仍存在破坏电池密封结构、电磁屏蔽导致信号传输受限、长期稳定性不足以及工业化兼容性较差等技术瓶颈。
陈浩森教授团队历经10余年多学科交叉攻关，创新性提出“中国方案”，该方案具有如下4个技术特点：一是耐腐感知“测得准”，通过研制50微米薄膜耐化学/电化学腐蚀传感器，解决了植入传感器长寿命需求与电化学腐蚀环境相矛盾的问题；二是无损植入“埋得进”，团队提出兼容工业制造流程的无损植入工艺，解决了传感器植入需求与电池全寿命周期稳定服役相矛盾的问题；三是跨屏传输“传得出”，通过研制基于载波传输的微型通信芯片，解决了传感信号高效传输需求与电池单体外壳电磁屏蔽相矛盾的问题；四是智能预警“用得好”，基于长期监测电池内部传感信号构建数据驱动分析模型，可初步实现单体电池内部失效早期预警。
基于此方案，团队设计了一种小型化、低功耗的植入式传感系统，可以精确地感知和无线传输锂离子电池内部的温度和应变信号。该植入式传感系统在商用100Ah方形磷酸铁锂电池中具有超低功耗；集成该传感系统的方形电池在1000次循环中表现出高稳定性，容量保持率为93.74%。结合相关预测模型和内部应变信号，实现了电极断裂位置的定位。基于植入温度传感系统和内短路触发技术，可以较早地识别出电池内部异常温度和应变信号，从而提高锂离子电池的安全性。
据了解，未来团队将聚焦完善专用科学仪器，提供揭秘电池内部“黑箱”的无损科研工具；构建“数字孪生电池”，结合自主研制的电池多尺度仿真软件，实现电池状态精准预测；制造“本质安全电池”，融合智能传感、计算软件与AI算法，实现电池“早预警、早处置”的本质安全。该成果将推动能源电池智能传感在储能电站、电动汽车的落地应用，加速能源电池的本质安全进程。