基于电池安全阀瞬态泄压能量捕获的自供电无线安全预警技术研究

为解决锂离子电池(LIBs)热失控(TR)引发的安全隐患，研究人员创新性地利用安全阀开启时产生的高速气流动能（达90.12 m/s），设计了一种无源无线预警装置。该装置通过微型发电机将气流能量转化为电能，实现阀开瞬间精准报警，并与电池管理系统(BMS)协同切断电路，成功阻止TR蔓延。这项发表于《Journal of Energy Storage》的研究首次提出被动能量捕获预警策略，为密封式液冷模块提供了零误报、免维护的安全解决方案。

　　

随着全球清洁能源转型加速，锂离子电池(LIBs)因其高能量密度和长循环寿命成为储能电站和电动汽车的核心动力源。然而，热失控(TR)引发的火灾爆炸事故频发，仅2023年全球就报告超30起储能系统爆燃事件。传统预警方法如电压监测易漏检单电池过充，光纤传感器植入可能影响电池性能，而气体内压检测又面临密封模块实施难题。更棘手的是，液冷模块中声学信号会衰减，烟雾检测也完全失效——这些技术瓶颈迫使科学家寻找更普适的解决方案。

中国的研究团队独辟蹊径，将目光投向TR过程中最关键的"最后防线"——安全阀。当电池内部压力突破阈值时，阀口喷出的气流速度堪比台风（实验测得90.12 m/s），这股以往被忽视的能量成为破局关键。研究人员通过精密实验发现，磷酸铁锂(LiFePO₄
)电池阀口气流呈倒锥形扩散，其动能足以驱动微型发电机。基于此，团队开发出邮票大小的自供电装置，可贴附在阀门外侧，无需布线即实现毫秒级响应。

研究采用三阶段验证体系：首先通过高速摄像和粒子图像测速技术(PIV)量化气流动力学参数；接着设计叶轮-电磁耦合发电机，将35 m/s气流转化为3.2 V输出功率；最终在模块级测试中，该装置触发BMS在阀开后0.5秒内切断电路，成功阻止相邻电池TR连锁反应。特别值得注意的是，这种被动工作机制在-20°C至60°C环境均保持稳定，且误报率为零。

实验设置
采用72 Ah商用LiFePO₄
电池，通过过充诱发TR。热电偶监测表面温度，高速相机捕捉阀开动态，激光多普勒测速仪记录气流速度峰值达90.12 m/s，为后续能量捕获设计提供基准参数。

被动无线安全预警装置设计与验证
基于气流倒锥形分布特征，研发轴向磁通永磁发电机，叶轮设计匹配阀口直径。测试显示3 cm²
的微型装置在阀开瞬间可产生4.7 mW功率，足够驱动433 MHz无线发射模块。在200次重复实验中，预警信号延迟仅8.3±2.1 ms。

预警装置-BMS协同模拟实验
在8电池模组中，触发单电池TR后，预警装置通过无线信号使BMS在1秒内断开故障电池，模组最高温度被控制在86°C以下，验证了TR传播阻断效果。对比实验显示，未安装装置的对照组发生连锁TR，温度飙升至612°C。

这项研究的突破性在于开创了"危险能量转化安全信号"的新范式。相比需要持续供电的主动监测系统，该方案特别适合长期闲置的储能电站。作者团队指出，未来可通过优化叶轮材料（如碳纤维增强聚合物）进一步提升能量转换效率。更深远的意义在于，这种被动能量捕获思路可拓展至其他压力容器安全监测领域，为工业设备安全提供普适性解决方案。论文中披露的阀口气流动力学数据，也为后续电池安全设计建立了重要数据库。