北京理工大學最新Nature：鋰離子電池內部危險信號的無線傳輸與精準預警

北京理工大學最新Nature：鋰離子電池內部危險信號的無線傳輸與精準預警

溫華

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一、 【科學背景】

近年來，鋰離子電池（LIBs）作為核心能源載體，在電動汽車、可再生能源儲能及便攜電子設備中廣泛應用，但其安全性問題因能量密度提升與規模化應用而日益嚴峻；據國際能源署（IEA）統計，2020至2024年僅電動汽車領域便累計報告超9,000起電池起火或爆炸事故，凸顯熱失控與機械失效的致命風險。當前主流的電池健康監測技術多依賴外部參數（如表面溫度、電壓波動）間接推斷內部狀態，但卷繞結構（jelly-roll）內部的非均勻溫度場與機械應力分布難以被傳統方法捕捉，導致預警滯后。

近年來，學術界嘗試通過植入式傳感器（如光纖光柵、柔性薄膜傳感器）直接監測內部信號，然而這些方案常需破壞電池密封結構，引發電解液泄漏或金屬殼體電磁屏蔽問題，且傳感器在強腐蝕性電解液中易失效，壽命不足百次循環；此外，X射線斷層掃描（XRD-CT）等無損檢測技術雖能提供高分辨率圖像，卻無法實時在線監測，成本高昂且設備龐大，難以商業化應用。作者團隊前期在植入式傳感領域已取得重要突破，開發了耐腐蝕薄膜傳感器（2022年）與低功耗無線傳輸芯片（2023年），通過優化封裝工藝將傳感器厚度壓縮至50微米，初步驗證了其在18650圓柱電池中的可行性，但早期版本仍存在信號傳輸穩定性不足、制造成本偏高（占電池總成本15%）等問題。

針對上述挑戰，本研究在前期成果基礎上，創新性地采用電源線通信技術，將信號調制為極耳上的微幅載波，結合頻移鍵控（FSK）與糾錯算法，突破金屬殼體的電磁屏蔽限制，同時通過“類極耳”設計使傳感器與電極結構兼容，無需額外修改制造流程，最終實現了全生命周期內（>1,000次循環）對卷繞結構內部溫度與應變的精準無線監測，為高安全智能電池的設計樹立了新標桿。

二、 【科學貢獻】

今日，北京理工大學宋維力教授、孫磊、陳浩森課題組，在最新Nature上發表了題為“Wireless transmission of internal hazard signals in Li-ion batteries”的論文。本工作提出一種微型化植入式傳感系統，通過厚度僅50微米的薄膜傳感器與15×13.5×3立方毫米的無線通信芯片集成，在不影響電池性能（容量損失<8%）的前提下，實現了卷繞結構內部溫度與應變信號的實時監測與無線傳輸；該系統利用電源線通信技術，將信號調制為微小波動通過電池極耳傳輸，結合頻移鍵控調制與糾錯算法，成功克服電磁干擾與電解液腐蝕問題；通過建立幾何依賴的內部短路（ISC）模型與膨脹模型，可定量分析熱熔斷（thermal fusing）與熱失控行為，定位電極斷裂位置，并在熱失控發生前15分鐘發出預警，為商業化電池提供了經濟（成本占比約5%）、兼容制造工藝的解決方案。

圖1 展示植入式傳感系統的結構、電池循環性能對比及經濟性分析，凸顯其非侵入式設計和高兼容性 ? 2025 Springer Nature Limited

圖2 通過棱柱形與圓柱形電池的實時內部信號監測數據，揭示不同結構電池的溫度與應變演化差異及解耦方法? 2025 Springer Nature Limited

圖3 結合實驗與仿真，定位圓柱電池電極斷裂位置，驗證應變傳感器在機械失效檢測中的有效性? 2024 Springer Nature Limited

圖4 基于內部溫度信號，區分局部短路與全局熱失控，確立短路面積與電極面積比（α）作為熱失控強度的定量指標? 2025 Springer Nature Limited

圖一展示了植入式傳感系統的整體架構與性能驗證，通過對比集成傳感系統的棱柱電池與原始電池的循環容量保持率（93.74% vs. 94.57%）及成本占比（約5%），凸顯其非侵入式設計對電池壽命和經濟性的雙重優勢；圖二通過棱柱形與圓柱形電池在充放電過程中的實時監測數據，揭示了二者內部溫度與應變演化的顯著差異——棱柱電池應變主要由熱膨脹主導，而圓柱電池則受石墨相變影響更顯著，并基于應變解耦模型量化了電化學與熱力學應變的貢獻比例；圖三聚焦圓柱電池機械失效檢測，結合實驗測量與仿真模擬，定位了電極斷裂的高風險區域（如外層近鋼殼處應變達846微應變），并利用反向傳播神經網絡（BPNN）成功預測預置斷裂位置，驗證了應變傳感器在失效定位中的可靠性；圖四則通過棱柱電池內部短路（ISC）實驗，建立短路面積與電極面積比（α）的臨界閾值（0.00037-0.0005），區分局部熱熔斷（α<閾值時快速自愈）與全局熱失控（α>閾值時持續升溫至350℃），內部溫度信號較表面參數提前15分鐘觸發預警，為熱失效分級響應提供了定量依據。

三、【科學啟迪】

總之，本文通過開發微型化、低功耗的植入式傳感系統，成功實現了鋰離子電池內部溫度與應變信號的實時無線監測，為電池安全預警與失效定位提供了突破性解決方案。實驗表明，該系統以非侵入式設計兼容現有電池制造工藝，在1000次循環中容量損失僅8%，且成本占比控制在5%以內，顯著優于傳統光纖傳感器或X射線斷層掃描技術；通過解耦電化學-熱力學應變模型，揭示了棱柱電池與圓柱電池內部機械響應的本質差異——前者受熱膨脹主導，后者則因石墨相變與卷繞結構約束呈現顯著應變分層現象，為優化電池結構設計提供了關鍵數據支撐。在熱失效預警方面，系統以內部溫度信號為核心，建立了短路面積與電極面積比（α）的臨界閾值（0.00037-0.0005），可提前15分鐘識別局部短路與全局熱失控的分界點，較傳統表面溫度監測的35秒預警窗口實現了量級提升。同時，結合反向傳播神經網絡（BPNN）對預置電極斷裂的精準定位（誤差<5%），驗證了應變信號在機械失效診斷中的高靈敏度，填補了現有電池管理系統（BMS）依賴電壓/電流參數的監測盲區。

展望未來，該技術有望推動鋰離子電池從“被動防護”向“主動預警”的范式轉變，但仍需在多維度深化研究：其一，需進一步優化傳感器布局策略，針對不同電池構型（如疊片式、刀片電池）開發定制化植入方案，以覆蓋更復雜的內部失效模式；其二，探索多物理場耦合監測，融合氣體析出、局部阻抗等參數，構建多維故障特征數據庫，結合深度學習算法提升預警準確率；其三，需驗證系統在極端工況（如低溫快充、高倍率循環）下的長期穩定性，尤其在電解液持續浸潤環境中傳感器的抗老化性能仍需萬次循環級驗證；其四，推動標準化進程，制定無線信號頻段、數據傳輸協議等行業規范，解決大規模儲能系統中數千電芯并行監測的信號干擾問題。此外，該技術可延伸至固態電池、鈉離子電池等新興體系，通過實時監測界面應力演化助力電極-電解質結構優化。隨著物聯網與數字孿生技術的發展，此類植入式傳感系統或將成為構建電池“全生命周期數字指紋”的核心組件，為智能電網、電動汽車提供更安全、更高效的能源管理基座。

原文詳情：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08785-7