推动电池智能传感落地的“另辟蹊径”

北京理工大学先进结构技术研究院教授陈浩森团队独立开发了一种电池单体无损植入式智能传感系统，可以长期、稳定、准确地测量无线传输电池的内部信号，从而显著提高电池的安全性和长期运行稳定性。5月14日，《自然》发布了相关研究成果。

据统计，2010-2024年间，全球报告锂电池安全事故近万起，对新能源汽车和储能系统的发展构成重大挑战。传统的外部传感技术不能满足电池内部风险信号的初步准确识别，这使得植入式内部传感技术备受期待。然而，包括欧美在内的植入方案仍然存在破坏电池密封结构、数据传输受限、长期稳定性不足、工业兼容性差等技术瓶颈。

陈浩森告诉《中国科学报》，与欧美的技术体系和思路不同，团队采取了不同的方式，提出了“中国计划”，以达到“准确测量”、“埋葬”、“传输”和“良好使用”的效果:耐腐蚀感知(准确测量)：研制50μm膜耐溶剂/电化学反应传感器解决了植入传感器的长寿命和电化学反应环境的问题;无损植入(埋入)：提出适应工业制造流程的无损植入技术，解决了传感器植入需求和电池寿命周期稳定服务的问题;跨屏传输(可传输)：开发基于载波传输的微型通信芯片，解决了传感信号高效传输和电池单壳电磁屏蔽的问题;智能预警(使用良好)：基于对电池内部传感信号的长期监测，构建数据驱动分析模型，初步应用于对单个电池内部失效的早期预警。

基于这个方案，团队设计了一个微型、低功耗的植入式传感系统，可以准确感知和无线传输锂电池内部的温度和应变信号。该植入式传感系统在商用100安时方形磷酸铁锂电池中功耗超低(0.068‰);在1000次循环中，集成该传感系统的方形电池表现出稳定的性能，其容量维持率为93.74%，与未集成该系统的电池循环稳定性几乎相同。

结合基于反向传播神经网络的预测模型和内部应变信号，完成了电极断裂位置的定位。基于植入式温度传感系统和内部短路触发技术，方形锂电池内部热故障的早期发现已经完成。植入式传感系统可以更早地识别电池内部的异常温度和应变信号，从而提高锂离子电池的安全性。

陈浩森表示，未来十年，行业“用得好”是唯一的评价标准，团队将围绕内部植入传感，重点完善专用科学仪器。Lab-in-chip“思路，提供揭示电池内部“黑箱”的无损科研工具;构建数字孪生电池，结合自主研发的多尺度电池模拟软件，分析“电池指纹”，实现电池状态的准确预测;结合智能传感、计算软件和AI算法，制造实质性安全电池，实现电池“早期预警和早期处置”的本质安全。该工作促进了储能电站和电动汽车在能源电池智能传感中的应用，加快了能源电池的本质安全进程，促进了行业走向更安全、更可持续的未来。