中國(guó)科大蘇州高等研究院潘挺睿教授、常煜研究員團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科大工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系談鵬教授團(tuán)隊(duì)，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院唐永炳教授、張帆研究員團(tuán)隊(duì)合作于4月25日在National Science Review上發(fā)表題目為“Unified iontronic sensing for operando monitoring of physical-chemical events in lithium-ion batteries”的研究論文。

鋰離子電池因其高能量密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命而成為電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心。然而，鋰枝晶生長(zhǎng)、SEI膜生長(zhǎng)等問(wèn)題威脅著電池的使用安全與服役壽命。在電池內(nèi)原位檢測(cè)枝晶和SEI膜生長(zhǎng)過(guò)程中的膨脹力變化被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)早期預(yù)警和精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)的有效方法。傳統(tǒng)的植入式光纖監(jiān)測(cè)方法存在系統(tǒng)尺寸大、光纖力學(xué)性能脆弱等問(wèn)題；而柔性壓力傳感器在腐蝕性電解液環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定性不足。

圖：系統(tǒng)示意圖 (a) 植入電池內(nèi)的一體式離電傳感技術(shù)；（b）一體式離電傳感器結(jié)構(gòu)圖；（c）壓力傳感單元壓力響應(yīng)機(jī)理；（d）參比單元監(jiān)測(cè)電解液離子電導(dǎo)性原理；（e）通過(guò)補(bǔ)償算法消除環(huán)境因素對(duì)壓力傳感單元的干擾

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，本研究開(kāi)發(fā)了一種基于一體式離電傳感技術(shù)的新型原位監(jiān)測(cè)技術(shù)，利用鋰離子電池自身的電解液和材料構(gòu)建傳感界面，無(wú)需額外封裝即可實(shí)現(xiàn)高精度壓力監(jiān)測(cè)。這種結(jié)構(gòu)不僅與電池材料高度兼容，還解決了傳統(tǒng)柔性壓力傳感器在腐蝕性環(huán)境中的穩(wěn)定性難題。實(shí)驗(yàn)表明，一體式離電傳感技術(shù)可以對(duì)Pa級(jí)別的膨脹力變化產(chǎn)生響應(yīng)，并能在電池內(nèi)穩(wěn)定工作超過(guò)1個(gè)月。該技術(shù)可通過(guò)壓力曲線不對(duì)稱性和峰值變化捕捉到鋰枝晶的不可逆沉積。作為驗(yàn)證，通過(guò)充放電循環(huán)400周加速老化實(shí)驗(yàn)，記錄了因SEI層增厚和鋰枝晶生長(zhǎng)導(dǎo)致的壓力累積，發(fā)現(xiàn)壓力變化與容量衰減趨勢(shì)高度吻合。該技術(shù)為智能電池設(shè)計(jì)開(kāi)辟了新路徑，其低成本、高精度和長(zhǎng)壽命特性尤其適用于車載電池管理系統(tǒng)。

中國(guó)科大蘇州高等研究院智能醫(yī)療器械研究中心的常煜、汪若江以及中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)院的程玙和賈蕊為本文的第一共同作者；中國(guó)科大蘇州高等研究院智能醫(yī)療器械研究中心潘挺睿、常煜，工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系談鵬以及中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的唐永炳和張帆為文章的共同通訊作者。該成果得到了科技部、基金委、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)以及鈦深科技（深圳）有限公司的資助。