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鋰離子電池是手機(jī)、電動汽車等產(chǎn)品的核心儲能器件。特定運行工況（如極端溫度和倍率）容易造成電池的過早衰減和熱安全問題。深入理解真實世界的電池衰減是提升實際應(yīng)用中電池壽命、安全性及可靠性的關(guān)鍵，依賴于先進(jìn)的電池傳感技術(shù)。多種傳感信號已被用于電池監(jiān)測，如溫度、壓力、電化學(xué)、聲學(xué)及光學(xué)等，然而，大多數(shù)現(xiàn)有傳感技術(shù)具有復(fù)雜、嵌入式和定性的特點，難以用于長期獲取商業(yè)電池的定量衰減信息。
近期，南方科技大學(xué)曾玉強(qiáng)助理教授課題組在電池傳感領(lǐng)域取得新進(jìn)展，建立了電池衰減相關(guān)的熱導(dǎo)率模型，將電池?zé)釋?dǎo)率作為電池衰減的定量監(jiān)測指標(biāo)，提出了一種非嵌入式的電池衰減定量評估手段。在前期工作中，團(tuán)隊以電極熱導(dǎo)率為傳感信號，基于電極熱導(dǎo)率和鋰離子濃度之間的定量關(guān)系，量化了電極厚度方向的熱導(dǎo)率和鋰離子濃度的空間分布。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊利用電池?zé)釋?dǎo)率對電池結(jié)構(gòu)變化的強(qiáng)依賴性，將其作為電池衰減的定量指標(biāo)。根據(jù)團(tuán)隊建立的電池?zé)釋?dǎo)率模型，電池的兩種主要衰減機(jī)制對其熱導(dǎo)率有著相反的影響：析鋰會降低負(fù)極顆粒與隔膜之間的緊縮熱阻而提高電池?zé)釋?dǎo)率，電解液消耗則會降低流體部分的有效熱導(dǎo)率而降低電池?zé)釋?dǎo)率。基于電池?zé)釋?dǎo)率模型，團(tuán)隊開發(fā)了熱傳感方案，用于電池衰減的非嵌入式監(jiān)測和定量評估。該方案由電池?zé)釋?dǎo)率模型標(biāo)定和熱導(dǎo)率實時測量兩部分組成。概念驗證研究表明，由實時測量的熱導(dǎo)率變化及趨勢，可以反推電池衰減源的演變過程，進(jìn)而定量區(qū)分鋰沉積以及與副反應(yīng)和鋰沉積相關(guān)的電解液消耗。以不同熱管理條件下的電池快充為例，高溫抑制了鋰沉積導(dǎo)致的電池衰減，但加速了電解液的消耗，兩種衰減機(jī)制之間的平衡決定了電池的最佳運行溫度。團(tuán)隊所開發(fā)的熱傳感方法具有簡單、非嵌入式和可量化的特點，能夠?qū)崟r監(jiān)測真實世界的電池衰減，準(zhǔn)確量化不同機(jī)制對于衰減的影響，為基于非嵌入式熱導(dǎo)率傳感器的電池衰減定量評估打開了大門，有望為電池管理及先進(jìn)電池設(shè)計提供有效反饋信息。研究成果以“Nonintrusive thermal-wave sensor for operando quantification of degradation in commercial batteries”為題發(fā)表于《Nature Communications》。
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