电池单体无损植入式智能传感系统

近年来，能源电池技术发展迅猛，但安全问题日益凸显。据统计，2010-2024年间，全球共报告近万起锂离子电池安全事故，对新能源汽车、储能系统等领域发展构成重大挑战。传统外部传感技术难以满足电池内部风险信号的早期精准识别，使得植入式内部传感技术备受期待，但包括欧美《Battery 2030+》等研究计划在内的植入方案，仍存在破坏电池密封结构、电磁屏蔽导致信号传输受限、长期稳定性不足以及工业化兼容性较差等技术瓶颈。

区别于欧美的技术体系与思路，团队历经十余年多学科交叉攻关，另辟蹊径，提出“中国方案”：

（1）耐腐感知（测得准）：研制50μm薄膜耐化学/电化学腐蚀传感器，解决了植入传感器长寿命需求与电化学腐蚀环境的问题；

（2）无损植入（埋得进）：提出兼容工业制造流程的无损植入工艺，解决了传感器植入需求与电池全寿命周期稳定服役的问题；

（3）跨屏传输（传得出）：研制基于载波传输的微型通信芯片，解决了传感信号高效传输需求与电池单体外壳电磁屏蔽的问题；

（4）智能预警（用得好）：基于长期监测电池内部传感信号构建数据驱动分析模型，初步应用于单体电池内部失效早期预警。

基于此方案，团队设计了一种小型化、低功耗的植入式传感系统，可以精确地感知和无线传输锂离子电池内部的温度和应变信号。该植入式传感系统在商用100 Ah方形磷酸铁锂电池中具有超低功耗（0.068‰）；集成该传感系统的方形电池在1000次循环中表现出高稳定性，容量保持率为93.74%，这几乎与未集成该系统的电池循环稳定性相同。结合基于反向传播（BP）神经网络构建的预测模型和内部应变信号，实现了电极断裂位置的定位。基于植入温度传感系统和内短路触发技术，实现了对方形锂离子电池内部热失效的早期诊断。该植入式传感系统可以较早地识别出电池内部异常温度和应变信号，从而提高了锂离子电池的安全性。本技术相关成果已在Nature发表。

图1.电池单体无损植入式智能传感系统