圖/本征自感知智能電池的信號識別與熱失控早期預警
近日，中國科學技術(shù)大學工程科學學院龔興龍教授、鄧華夏教授團隊與合肥大學梁鑫教授以及上海理工大學竇世學教授、劉化鹍教授合作，提出了一種本征自感知智能電池設(shè)計策略。通過研制具備本征自感知能力的隔膜，在不影響電池電化學性能的前提下，實現(xiàn)了電池內(nèi)部力學信號的在線監(jiān)測，同時實現(xiàn)了對復雜機械工況的精準識別，并能夠在鋰鹽分解階段捕獲異常信號，實現(xiàn)熱失控的早期預警。相關(guān)成果以“Early warning at lithium salt decomposition stage by integrated self-sensing batteries”為題，發(fā)表在國際能源材料領(lǐng)域知名期刊Energy Storage Materials上。
隨著新能源汽車與儲能系統(tǒng)的快速普及，動力電池在實際運行過程中面臨更加復雜的服役環(huán)境，其安全問題日益成為行業(yè)關(guān)注的核心。相比傳統(tǒng)依賴溫度、煙霧或氣體等外部信號的監(jiān)測方式，電池內(nèi)部的應(yīng)力與力學變化往往在熱失控早期便已產(chǎn)生響應(yīng)。因此，發(fā)展具備本征自感知能力的智能電池，實現(xiàn)對內(nèi)部異常狀態(tài)的在線監(jiān)測，對于提升動力電池的主動安全水平具有重要意義。
研究團隊提出了一種本征自感知智能電池設(shè)計策略，通過研制具備本征自感知能力的隔膜，實現(xiàn)了電池內(nèi)部狀態(tài)的在線監(jiān)測。本征自感知隔膜在不同頻率、壓力及長期循環(huán)條件下均表現(xiàn)出穩(wěn)定且可預測的壓電輸出特性，為電池長期服役過程中的力學感知提供了基礎(chǔ)。本征自感知隔膜優(yōu)異的離子傳輸與界面調(diào)控能力進一步提升了電池的倍率性能與循環(huán)穩(wěn)定性。所構(gòu)建鋰金屬電池在5 C高倍率下能夠循環(huán)超過1000圈，展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學兼容性與長期穩(wěn)定性。
基于該智能電池體系，結(jié)合機器學習算法與時頻分析方法，可實現(xiàn)對碰撞、底部刮擦、通過減速帶等復雜機械工況的精準識別，并能夠在熱失控鋰鹽分解階段捕獲異常壓電信號，實現(xiàn)熱失控發(fā)生前約130 s的早期預警。該工作為壓電傳感隔膜與電池體系的深度融合提供了新的研究思路，有望推動動力電池向智能化、自監(jiān)測與高安全方向發(fā)展。
綜上，本研究提出了一種本征自感知智能電池設(shè)計策略，通過研制具備本征自感知能力的隔膜，實現(xiàn)電池內(nèi)部力學信號的在線監(jiān)測與安全預警。基于靜電紡絲構(gòu)建的三維多孔纖維結(jié)構(gòu)，隔膜兼具優(yōu)異離子傳輸能力與穩(wěn)定壓電響應(yīng)特性，在提升電化學性能的同時實現(xiàn)長期可靠的壓電信號輸出。該體系可對碰撞、刮擦等復雜工況進行精準識別，并在熱失控的鋰鹽分解階段實現(xiàn)約130 s早期預警。本研究為實現(xiàn)電化學性能與本征安全感知一體化設(shè)計提供了新思路。
中國科學技術(shù)大學工程科學學院研究生袁圓為論文第一作者，龔興龍教授、鄧華夏教授和劉冰特任副研究員為通訊作者。該工作得到國家自然科學基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費和中國博士后科學基金的資助與支持。
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