通过柔性双功能传感器对商用锂离子电池内部的温度和氢气释放情况进行原位监测

《Journal of Energy Storage》：In situ monitoring of internal temperature and hydrogen gas evolution in commercial lithium-ion batteries via flexible bifunctional sensors

锂离子电池热失控预警与内置柔性传感器研究。通过微电子印刷技术制备双功能超薄柔性传感器，集成温度和氢气检测模块，实现电池内部温度实时监测（灵敏度0.036°C?1）和氢气快速响应（3s/4.2s），验证其在不同充放电速率下长期稳定监测能力，为电池安全管理提供新方案。

　　在当今社会，随着新能源技术的迅速发展，锂离子电池（LIBs）作为储能系统的重要组成部分，其应用范围不断扩展。然而，电池在实际运行过程中可能会出现热失控（Thermal Runaway, TR）等安全隐患，这主要归因于电池充放电条件的不一致。为了实现对电池性能和安全性的全面评估，传统的外部参数采集方式已经显得不足。因此，研究人员提出了新的方法，通过植入式传感器对电池内部温度和氢气（H?）进行实时监测，从而为电池的安全管理提供新的思路。

本研究中，团队开发了一种基于超薄、柔性的双功能传感器的在位监测方法。这种传感器能够检测由温度和气体变化引起的电阻参数变化，从而实现对电池内部状态的准确评估。通过微电子印刷技术，研究人员在柔性电极上构建了温度和气体传感器，并利用静电纺丝技术制备了具有柔性和透气性、疏水性的聚酰亚胺薄膜，以封装这些传感器。该薄膜具有高热响应灵敏度（0.036 °C?1）和极快的气体响应与恢复时间（3秒/4.2秒），这使得其在电池运行过程中能够高效地捕捉内部温度变化，并实现对氢气的长期在位检测。

研究团队通过长期循环实验验证了这种薄层传感器的有效性。实验结果显示，该传感器能够在不同充放电速率下实时监测电池的内部温度变化，并在实际工作条件下长期检测氢气。在整个监测过程中，传感器对电池性能的影响几乎可以忽略不计。这表明，该方法不仅能够准确评估电池的热状态，还能在热失控发生前及时识别潜在的安全隐患，从而为智能电池管理系统（BMS）提供可靠的数据支持。

当前，锂离子电池广泛应用于电动汽车、储能设施和便携式电子设备等领域。这些电池具有高输出电压、高能量密度和长循环寿命等优点，使其成为现代能源系统中的关键组件。然而，由于电池内部的化学反应复杂，且其良好的气密性使得内部气体难以及时释放，传统的外部监测手段往往无法准确反映电池的真实热状态。例如，在高倍率放电过程中，电极内部温度与电池外部温度之间存在显著差异，这会导致热失控现象被掩盖，进而影响电池的安全性。

热失控不仅会导致电池温度迅速升高，甚至超过800°C，还可能引发火灾和爆炸等严重后果。因此，准确监测电池内部温度变化对于预防热失控至关重要。同时，电池内部的气体变化，如氢气、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO?）、乙烯（C?H?）、氟化氢（HF）和二氧化硫（SO?）等，也可以作为热失控的早期预警信号。研究表明，氢气在热失控发生前639秒和火灾前769秒就能被检测到，这使其成为一种理想的早期预警指标。

目前，电池温度监测方法主要包括内置光纤传感器、内置薄膜温度传感器以及电化学阻抗谱（EIS）等。内置传感器的优势在于其体积小、可无缝嵌入电池内部，并且能够实现对电池内部参数的实时反馈。然而，光纤传感器虽然精度较高，但需要复杂的仪器和特定的实验条件，这限制了其在实际应用中的推广。EIS虽然能够非侵入性地检测电池内部温度，但其依赖高精度设备，且安装方式对测量结果有较大影响。

为了克服这些技术瓶颈，研究团队开发了一种新型的柔性薄膜传感器，其不仅能够实时监测电池的内部温度，还能检测氢气的浓度变化。该传感器采用多传感结构设计，能够在多种工作条件下提供高灵敏度和准确性的监测数据。此外，该传感器还具有低操作温度、高选择性、高重复性和良好的长期稳定性等优点，使其更适合实际电池的运行环境。

在实验过程中，研究团队对传感器的电化学特性、长期循环性能、容量以及内部电阻进行了评估。结果表明，传感器的性能稳定，能够在电池运行过程中持续提供可靠的数据。同时，该传感器的封装材料——聚酰亚胺薄膜，具有良好的柔性和透气性，能够在不破坏电池结构的前提下，实现对内部气体的实时检测。

除了温度监测，氢气的检测同样具有重要意义。氢气是电池在过充或快速充电过程中，由于锂枝晶的形成而产生的一种特征气体。氢气的产生不仅反映了电池内部的化学反应，还可能成为热失控的早期信号。通过实时监测氢气浓度，可以更早地识别电池内部的异常情况，从而为电池的安全管理提供预警支持。

综上所述，本研究提出的柔性薄膜传感器技术，为锂离子电池的智能管理提供了新的解决方案。该方法能够有效监测电池内部温度和氢气浓度变化，为电池的安全运行提供数据支持，同时避免了传统监测手段在精度、实时性和集成性方面的不足。未来，随着技术的不断进步，这种新型传感器有望在更广泛的电池应用场景中得到推广和应用，为提升电池的安全性和可靠性做出更大贡献。