近年來，能源電池技術及相關應用發展迅速，相關安全問題也日益凸顯。日前記者從北京理工大學獲悉，該校先進結構技術研究院陳浩森教授團隊自主研制了一種電池單體無損植入式智能傳感系統，可長期、穩定且準確地測量、無線傳輸電池內部信號，實現早期故障診斷與預警，從而顯著提升電池的安全性和長期運行穩定性。該研究成果近日發表在《自然》雜志上。
傳統外部傳感技術難以實現電池內部風險信號的早期精準識別，植入式內部傳感技術成為備受期待的研究熱點，但歐美提出的植入方案，仍存在破壞電池密封結構、電磁屏蔽導致信號傳輸受限、長期穩定性不足以及工業化兼容性較差等技術瓶頸。
陳浩森教授團隊歷經10余年多學科交叉攻關，創新性提出“中國方案”，該方案具有如下4個技術特點：一是耐腐感知“測得準”，通過研制50微米薄膜耐化學/電化學腐蝕傳感器，解決了植入傳感器長壽命需求與電化學腐蝕環境相矛盾的問題；二是無損植入“埋得進”，團隊提出兼容工業制造流程的無損植入工藝，解決了傳感器植入需求與電池全壽命周期穩定服役相矛盾的問題；三是跨屏傳輸“傳得出”，通過研制基于載波傳輸的微型通信芯片，解決了傳感信號高效傳輸需求與電池單體外殼電磁屏蔽相矛盾的問題；四是智能預警“用得好”，基于長期監測電池內部傳感信號構建數據驅動分析模型，可初步實現單體電池內部失效早期預警。
基于此方案，團隊設計了一種小型化、低功耗的植入式傳感系統，可以精確地感知和無線傳輸鋰離子電池內部的溫度和應變信號。該植入式傳感系統在商用100Ah方形磷酸鐵鋰電池中具有超低功耗；集成該傳感系統的方形電池在1000次循環中表現出高穩定性，容量保持率為93.74%。結合相關預測模型和內部應變信號，實現了電極斷裂位置的定位。基于植入溫度傳感系統和內短路觸發技術，可以較早地識別出電池內部異常溫度和應變信號，從而提高鋰離子電池的安全性。
據了解，未來團隊將聚焦完善專用科學儀器，提供揭秘電池內部“黑箱”的無損科研工具；構建“數字孿生電池”，結合自主研制的電池多尺度仿真軟件，實現電池狀態精準預測；制造“本質安全電池”，融合智能傳感、計算軟件與AI算法，實現電池“早預警、早處置”的本質安全。該成果將推動能源電池智能傳感在儲能電站、電動汽車的落地應用，加速能源電池的本質安全進程。
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