基于机械应力信号的锂离子电池热失控早期预警新方法：实现30分钟提前预警与安全阀开启前监测

为解决锂离子电池(LIBs)热失控(TR)预警时间不足的难题，研究人员创新性地采用薄膜压力传感器监测280 Ah磷酸铁锂(LFP)电池表面机械应力演变规律。研究发现应力变化可分为指数增长、线性增长、骤降和反弹四阶段，通过捕捉指数转线性增长拐点，实现安全阀开启前30分钟的早期预警，为电池安全管理提供新技术路径。

　　

随着全球能源转型加速，锂离子电池(LIBs)因其高能量密度和环保特性成为储能领域核心，但热失控(TR)引发的安全问题始终如悬顶之剑。现有监测系统依赖温度、电压等参数，却面临"监测盲区"与"预警滞后"双重困境：温度传感器布点稀疏导致响应延迟，电信号仅在TR前夕突变，而气体监测需等待安全阀开启——此时往往为时已晚。更严峻的是，当前电动汽车大规模应用使得电池火灾事故频发，传统电池管理系统(BMS)的监测能力已捉襟见肘。

中国科学技术大学（根据CRediT声明中通讯作者Qingsong Wang单位推断）的研究团队独辟蹊径，将机械应力信号作为监测靶点。他们在《Process Safety and Environmental Protection》发表的研究中，采用薄膜压力传感器对280 Ah商用磷酸铁锂(LiFePO₄或LFP)电池进行全周期应力监测，结合温度、电压等多参数同步分析，首次系统揭示了热失控过程中应力演变的四阶段规律，并建立基于应力拐点的超前预警体系。

关键技术方法包括：1) 采用TacSense薄膜压力传感器实现表面应力动态监测；2) 设置100%、50%、0%三种荷电状态(SOC)对比实验；3) 同步采集温度、电压、质量变化数据；4) 通过加热触发热失控模拟实际滥用场景。

【温度与电压曲线】

研究发现不同SOC电池在热失控时呈现差异化温度曲线：100% SOC电池安全阀(SV)开启后立即发生TR，而50%和0% SOC存在明显延迟。电压曲线则显示，所有电池在TR前均出现电压突降，但该信号出现时已临近热失控临界点。

【应力演变规律】

通过高精度应力监测，团队首次将热失控过程应力变化划分为四个特征阶段：

1. 指数增长期：内部产气导致应力呈指数级上升

2. 线性增长期：产气速率趋于稳定形成线性增长

3. 骤降期：安全阀开启瞬间应力断崖式下跌

4. 反弹期：热失控剧烈反应引发二次应力上升

   值得注意的是，指数转线性增长的拐点比安全阀开启平均提前30分钟出现，这为早期预警提供了黄金时间窗。

【应力分布特征】

研究还发现电池表面应力分布具有显著区域差异性：长边中心区域应力灵敏度最高，是传感器布置的最优位点。该发现可大幅降低监测系统实施成本，仅需在关键区域布置少量传感器即可实现有效监控。

这项研究的意义不仅在于突破现有预警技术的时间瓶颈，更开创性地构建了机械应力监测的理论框架。相比传统方法，应力信号具有三大优势：一是预警时间大幅提前至安全阀开启前；二是通过优化传感器布置可降低成本；三是信号变化与内部反应具有明确对应关系。研究结果为下一代智能BMS开发提供了全新思路，对电动汽车、储能电站等安全防控具有重要实践价值。未来，结合人工智能算法的应力模式识别技术，有望实现更精准的热失控预测。