北京理工大学，Nature！

米测MeLab

2025-05-22

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨米测MeLab

编辑丨风云

研究背景

随着可再生能源存储市场需求的不断增长，大容量锂离子电池得到了快速发展。在这些具有大果冻卷的高容量LIBs中，监控内部状态和检测来自单个LIB的内部故障信号的能力是实现早期故障诊断和确保安全可靠运行的关键。

关键问题

然而，LIBs早期故障诊断主要存在以下问题：

1、定量识别果冻卷结构内部温度和应变分布的不均匀性至关重要

作为LIBs内部的典型故障模式，热故障和机械故障可能会引发严重后果，包括易燃和易爆损坏。定量识别果冻卷结构内部温度和应变分布的不均匀性至关重要，以便将异常行为诊断为LIBs内部的早期故障信号。

2、目前的传感器环境适应性差且植入工艺复杂、成本高

传统植入式传感器在LIBs内部恶劣的电化学和化学环境中容易受到腐蚀，导致传感器故障。同时，内部信号被金属电池壳电磁屏蔽，需要有线植入，这会破坏电池的稳定性和寿命，且与制造工艺不兼容。

新思路

有鉴于此，北京理工大学陈浩森教授、孙磊副教授、宋维力教授等人提出了一种小型化、低功耗的系统，能够精确检测和无线传输LIBs内部的温度和应变信号，而对其性能的影响可以忽略不计。内部温度信号和初始内部短路区域与电池电极之间的面积比的获取使得能够定量分析热熔断和热失控现象，从而评估电池热失控的强度并识别热滥用行为。这项工作为设计具有安全警告和故障定位能力的下一代智能LIBs奠定了基础。

技术方案：

1、提出了一种集成可植入传感系统

作者开发了一种集成可植入传感系统，用于监测电池内部温度和应变，且与电池制造工艺兼容，对性能影响小，具有经济性和非侵入性优势。

2、监测了棱柱形和圆柱形锂离子电池中的温度和应变信号

作者分析了棱柱形和圆柱形LIBs中果冻卷的温度和应变信号。棱柱形电池应变主要受温度影响，而圆柱形电池应变与石墨相变相关，且存在显著层间应变差异。温度随充电状态变化，且棱柱形电池内外温差大于圆柱形电池。

3、检测了圆柱形LIBs中的机械故障

作者通过植入应变传感器和膨胀模型，检测和定位圆柱形LIBs中的机械故障。发现内层压缩、外层拉伸，中间存在“中性层”。

4、检测了棱形电池热故障

作者通过内部温度和ISC模型检测棱柱形电池的热失效。实验表明，内部温度信号可作为早期预警，提供至少15分钟预警时间。

技术优势：

1、提出了一种小型化非侵入式植入技术

本工作提出了一种小型化的植入式传感系统，以非侵入式方式装配在果冻卷上，兼容商用LIBs制造工艺，实现了对电池内部温度和应变信号的实时监测，且不影响电池性能和寿命。

2、开发的传感系统实现了精确传感和无线传输

本工作开发的植入式传感系统具备超低功耗，能够在1000次循环后保持高稳定性，容量损失有限。结合几何相关的ISC模型和膨胀模型，能够早期识别果冻卷中的异常信号，为LIBs内部故障的早期诊断和预警提供了一个有前途的平台。

技术细节

植入式传感系统

本研究提出了一种集成可植入传感系统，用于棱柱形和圆柱形电池的内部温度和应变监测。该系统由薄膜传感器和微型芯片组成，通过电力线通信技术实现无线信号传输，避免了额外电气连接和电磁干扰。芯片由集成电池供电，采用频移键控调制和信号校正技术，确保信号可靠传输。薄膜传感器厚度仅为50微米，与电极和翼片厚度一致，采用翼片状设计，微型芯片封装在铝塑薄膜中。这种非侵入式设计与电池制造工艺兼容，对电池性能影响微小（1000次循环后容量保持率为93.74%）。与其他内部传感装置相比，该系统在经济性、非侵入性、结构兼容性、监测面积和循环稳定性方面具有显著优势，成本比率低至单个电池的5%，适合大规模商业应用。

图  一种可植入的传感系统

内部信号的操作和监控

研究对棱柱形和圆柱形锂离子电池（LIBs）中的果冻卷温度和应变信号进行了操作和监测，分析了其不均匀性。结果显示，两种电池的温度随充电状态（SOC）变化，并在放电结束时达到最大值。棱柱形电池的应变主要受温度影响，而圆柱形电池的应变则显示出石墨相变特征，且不同层间存在显著的应变差异（约350 με）。在不同倍率下，两种电池的内部温度均随倍率增加而上升，棱柱形电池的内外温差大于圆柱形电池。通过解耦分析，发现棱柱形电池的应变主要由热诱导应变主导，而圆柱形电池的应变主要由电化学诱导应变主导。电化学诱导应变分为平面和平面外厚度膨胀，热诱导应变分为集电极膨胀和由不均匀温度分布及外壳约束引起的应变。植入式传感器用于实时监控这些信号，为理解电池内部应变和温度变化提供了重要依据。

图  内部应变和温度的操作测量

圆柱形LIBs中的机械故障

作者提出了一种基于内部应变和膨胀模型的组合方法，用于检测和定位圆柱形锂离子电池（LIBs）中的机械故障。通过在圆柱形电池不同层中植入应变传感器，发现内绕组层和外绕组层的应变曲线相反，外层最大拉伸应变达846 με，内层最小压缩应变为545 με，中间存在应变几乎为零的“中性层”。这些应变特征可作为机械故障检测的目标。通过电池膨胀模型模拟果冻卷的应变分布，实验与模拟结果高度一致。此外，外层是传感器植入的最佳位置，观察到最大拉伸应变。研究还通过制造具有预设裂缝的电池，验证了应变传感器定位内部机械故障的能力，最大应变变化达78.3 με，而外部电压变化微小，传统电池管理系统难以检测。开发的反向传播（BP）神经网络模型能够预测果冻卷中的损坏位置，验证了应变传感器在圆柱形电池中定位机械故障的有效性。

图  圆柱形电池机械故障的定位

棱形电池热故障的检测

作者通过测量内部温度和基于实际卷绕结构的ISC模型，检测了棱柱形电池中的热失效。使用磁触发ISC装置，对不同果冻卷配置的LIBs进行实验。结果显示，即使在ISC面积增加到25 mm²时，外部温度和电压变化微小，但内部温度在4秒内从28°C急剧上升到48.2°C，表明ISC附近的负电极受到严重热损伤。内部温度信号在早期阶段更有效监测热损伤，为早期预警提供至少15分钟时间。在暴力ISC实验中，内部温度在2秒内上升至约50°C，随后在40秒内上升至约350°C，而外部电压和表面温度变化较小。研究表明，热故障可分为两种类型，通过短路面积与总电极面积之比（α）可定量评估热失控强度。当α值小于0.00037到0.0005范围时，热熔断发生，过程迅速停止；当α值超出该范围时，热失控扩展至整个电池，持续时间超过100秒。

图  棱形电池热故障的检测

总结展望

总之，本工作开发了一种小型化、低功耗系统，能够精确检测和无线传输LIBs内部的温度和应变信号。内部应变信号可用于定位断裂位置，内部温度信号的更快速响应可用于局部ISC和完全热破坏的早期预警。因此，这种非侵入式可植入传感系统在促进下一代智能LIBs安全储能方面取得了巨大进步。

参考文献：

Fan, J., Liu, C., Li, N. et al. Wireless transmission of internal hazard signals in Li-ion batteries. Nature 641, 639–645 (2025).

 https://doi.org/10.1038/s41586-025-08785-7