集成自感知电池在锂盐分解阶段的早期预警
发布时间：2026-05-27 17:16:46 点击： 次
电动汽车的迅猛发展放大了对电池性能监测的需求，尤其是在机械或热滥用条件下。尽管学界已投入大量精力研究自感知与早期预警特性，但现有策略大多仅能捕捉Gas析出阶段或隔膜失效阶段的明显信号，导致驾驶员判断时间窗口极为有限。本研究开发了一种集成化智能锂电池系统，通过基于多功能纤维的隔膜技术，首次实现了在锂盐分解阶段对异常信号的检测能力。基于此，该电池通过相应智能算法进一步精准判别碰撞、底部刮擦与减速带等工况，同时在火灾或爆炸前130秒发出预警。此外，采用集成隔膜的电池在5 C倍率下经700次循环后仍保持89.70%容量（锂金属电池体系），展现出卓越的兼容性能。该方法为设计具有安全预警能力的新一代智能电池提供了技术路径。
随着新能源汽车（EVs）行业的快速发展，安全问题日益受到关注[[1], [2], [3], [4]]。热滥用、机械滥用与电化学滥用被公认为导致电池失效的主要诱因[[5], [6], [7], [8], [9]]。这些异常工况可能扳机灾难性热失控，在毫秒级时间尺度内释放巨大能量，对用户及基础设施构成严重威胁[[10], [11], [12]]。因此，开发能够实时监测内部运行状态、实现热失控早期识别与预警的智能电池技术，对推动新一代新能源汽车安全管理体系建设具有重大意义[[13], [14], [15]]。
当前电池状态监测策略可大致分为三类：事后（非原位）分析[16,17]、原位表征[18]以及基于传感器的监测[19]。事后（非原位）分析在电池拆解后进行，可提供电极材料[20]与界面化学的高度精确细节信息，通常通过扫描电镜[20]和X射线光电子能谱[21]追溯失效机制与老化路径。原位表征[[22], [23], [24], [25]]利用X射线计算机断层扫描[26,27]或X射线衍射[28]实现电化学运行期间结构、化学或机械演化的无损探测。但这两类策略均无法适用于电池实际运行工况。基于传感器的监测[29,30]通过将传感元件集成于电池表面或内部，为实时状态检测提供了更直接的解决方案。
现有的基于传感器的监测策略通常可分为三类：基于外部传感的监测[[31], [32], [33]]、内部嵌入式传感监测[34,35]以及集成式传感监测[36]。基于外部传感的监测策略主要依赖附着于电池或模组外部的传感器，用于检测温度、压力或燃料费释放等信号[37]。这些信号通常仅在热失控后期阶段（如电池膨胀或燃料费生成时）才会显著显现。内部嵌入式传感监测策略则将功能性传感元件（如光纤布拉格光栅（FBG）传感器[38]、温度传感器[39]或应变传感器[40]）进一步嵌入电池内部。与基于外部传感的监测相比，这种原位配置因其更贴近内部电化学与力学过程，能更早检测到电池异常行为。传统植入式传感器不可避免地会引入电池材料系统本征结构之外的额外组件，这些组件可能对电芯的电化学性能产生负面影响[41]。
集成传感监控策略是指一种本质性的电池-传感器一体化范式，其最大限度降低对电化学性能的影响，通过电池材料与结构的功能化设计实现实时状态监测与热失控预警。代表性设计包括：能将电极扩展包诱发的机械形变转换为可测信号的微结构聚丙烯隔膜[42]；在临界温度阈值处呈现阻抗突变的温敏隔膜涂层[43,44]；以及采用导电/电阻中间层的复合隔膜，该类隔膜可在锂枝晶穿透时产生电信号变化[45,46]。尽管已取得这些进展，现有策略主要针对阈值触发或热失控晚期事件作出响应，尚未在热失控初期阶段实现可靠的早期预警[36,43]。因此，在热失控过程（特别是锂盐分解阶段）实现可靠的早期预警仍具挑战性。这些局限性凸显了对真正集成化、非侵入式且具有早期响应能力的监测策略的需求。
本文通过静电纺丝基压电隔膜与智能算法，在热失控的锂盐分解阶段实现精准传感与早期预警，开发了一种高安全性高能量电池的智能电池系统。该策略采用具有强机电耦合效应的聚多巴胺（PDA）改性钛酸钡（BaTiO₃, BTO）纳米颗粒，将其嵌入聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（PVDF-HFP）基体中，制备出PDA@BTO/PVDF-HFP纤维隔膜（PBPH）。基于PBPH的电池一旦遭受机械滥用（碰撞或底部刮擦）与热滥用，该系统会通过算法识别并分类这些事件，实现提前130秒的实时监测与早期预警。值得注意的是，预警信号出现在异常早期的锂盐分解阶段，远早于SEI膜破裂、气体逸出或任何灾难性反应发生之前。这证明了该集成电池具备在热失控前捕获早期热机械应力瞬态的能力。与此同时，该锂金属电池在5 C倍率下循环700次后仍能保持89.70%的容量，库伦效率始终维持在99%以上，通过抑制锂枝晶生长展现出优异的循环稳定性。这种集成化智能电池为解决实时电池健康管理提供了创新方案，在完全不损害电化学性能的前提下，显著提升了安全监测与预警能力。
图文摘要
引言
当前电池状态监测策略可大致分为三类：事后（非原位）分析[16,17]、原位表征[18]以及基于传感器的监测[19]。事后（非原位）分析在电池拆解后进行，可提供电极材料[20]与界面化学的高度精确细节信息，通常通过扫描电镜[20]和X射线光电子能谱[21]追溯失效机制与老化路径。原位表征[[22], [23], [24], [25]]利用X射线计算机断层扫描[26,27]或X射线衍射[28]实现电化学运行期间结构、化学或机械演化的无损探测。但这两类策略均无法适用于电池实际运行工况。基于传感器的监测[29,30]通过将传感元件集成于电池表面或内部，为实时状态检测提供了更直接的解决方案。
现有的基于传感器的监测策略通常可分为三类：基于外部传感的监测[[31], [32], [33]]、内部嵌入式传感监测[34,35]以及集成式传感监测[36]。基于外部传感的监测策略主要依赖附着于电池或模组外部的传感器，用于检测温度、压力或燃料费释放等信号[37]。这些信号通常仅在热失控后期阶段（如电池膨胀或燃料费生成时）才会显著显现。内部嵌入式传感监测策略则将功能性传感元件（如光纤布拉格光栅（FBG）传感器[38]、温度传感器[39]或应变传感器[40]）进一步嵌入电池内部。与基于外部传感的监测相比，这种原位配置因其更贴近内部电化学与力学过程，能更早检测到电池异常行为。传统植入式传感器不可避免地会引入电池材料系统本征结构之外的额外组件，这些组件可能对电芯的电化学性能产生负面影响[41]。
集成传感监控策略是指一种本质性的电池-传感器一体化范式，其最大限度降低对电化学性能的影响，通过电池材料与结构的功能化设计实现实时状态监测与热失控预警。代表性设计包括：能将电极扩展包诱发的机械形变转换为可测信号的微结构聚丙烯隔膜[42]；在临界温度阈值处呈现阻抗突变的温敏隔膜涂层[43,44]；以及采用导电/电阻中间层的复合隔膜，该类隔膜可在锂枝晶穿透时产生电信号变化[45,46]。尽管已取得这些进展，现有策略主要针对阈值触发或热失控晚期事件作出响应，尚未在热失控初期阶段实现可靠的早期预警[36,43]。因此，在热失控过程（特别是锂盐分解阶段）实现可靠的早期预警仍具挑战性。这些局限性凸显了对真正集成化、非侵入式且具有早期响应能力的监测策略的需求。
本文通过静电纺丝基压电隔膜与智能算法，在热失控的锂盐分解阶段实现精准传感与早期预警，开发了一种高安全性高能量电池的智能电池系统。该策略采用具有强机电耦合效应的聚多巴胺（PDA）改性钛酸钡（BaTiO₃, BTO）纳米颗粒，将其嵌入聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（PVDF-HFP）基体中，制备出PDA@BTO/PVDF-HFP纤维隔膜（PBPH）。基于PBPH的电池一旦遭受机械滥用（碰撞或底部刮擦）与热滥用，该系统会通过算法识别并分类这些事件，实现提前130秒的实时监测与早期预警。值得注意的是，预警信号出现在异常早期的锂盐分解阶段，远早于SEI膜破裂、气体逸出或任何灾难性反应发生之前。这证明了该集成电池具备在热失控前捕获早期热机械应力瞬态的能力。与此同时，该锂金属电池在5 C倍率下循环700次后仍能保持89.70%的容量，库伦效率始终维持在99%以上，通过抑制锂枝晶生长展现出优异的循环稳定性。这种集成化智能电池为解决实时电池健康管理提供了创新方案，在完全不损害电化学性能的前提下，显著提升了安全监测与预警能力。