近期，南方科技大學助理教授團隊基於熱導率測量開發出一種新型監測手段，能夠在實際的應用場景中，實時獲取鋰離子電池衰減狀態的變化資訊。
與以往的實驗室手段相比，該方法具有簡單、成本低、體積小、測量資料準確、非嵌入式等特點。“並且，這種新方法最大的優勢在於，它與實驗室透過高成本、大型裝置手段所獲取的資訊相當。”說。
圖丨曾玉強（來源：）
在快速充電條件下，由於鋰離子緩慢的傳輸速率，無法嵌入石墨負極的鋰離子往往以金屬形式析出，即析鋰現象。析鋰會導致電池加速衰減，這也是目前鋰離子電池未在市場上廣泛地應用快速充電的重要原因之一。
這種新型的監測手段，能夠為電池管理提供實時的電池狀態資訊反饋。該技術有望應用於電動車和儲能電站相關的電池監測及管理，服務於電動化交通和儲能領域。
圖丨基於電池熱導率測量的電池監測方法效果示意圖（來源：南方科技大學）
指出，電動車和儲能電站的核心問題之一是安全性問題。在使用過程中，電池內部狀態的變化可能引起安全隱患，比如析鋰、電解液消耗等。
傳統的監測手段無法獲得實時的電池衰減資訊反饋，而該研究提供了一種相對簡單的技術手段，為智慧電池管理提供了準確的實時衰減資訊。
圖丨相關論文（來源：Nature Communications）
近日，相關論文以《非嵌入式熱波感測器，用於對商用電池衰減的定量監測》（）為題發表在 Nature Communications 上[1]。
南方科技大學助理教授為論文第一作者，美國勞倫斯·伯克利國家實驗室高階科學家拉維·S·帕拉薩爾（）為論文通訊作者。
圖丨電池衰減的熱導率模型（來源：Nature Communications）
一般來說，實驗室的電池測試條件通常為恆溫環境以及設定的執行工況。但是，實際的應用場景與實驗室的執行環境不同。自然溫度呈現明顯的季節性和區域性變化，實際環境中的執行工況也比實驗室更復雜。
舉例來說，電動車實際需要的放電倍率是動態變化的，有時需要更高的放電倍率，有時則需要更低的放電倍率。
圖丨電池熱導率與電解液消耗量和鋰沉積量之間的定量關係（來源：Nature Communications）
在鋰離子電池衰減資訊中，析鋰量和電解液消耗量是兩個最關鍵的指標。
一方面，鋰離子在充電過程中可以嵌入到負極顆粒中。如果在快充或過充的情況下，鋰離子可能因無法嵌入負極而析出在負極表面。一旦鋰金屬析出，它會繼續與電解液反應消耗鋰離子，從而造成鋰電池容量衰減。
另一方面，鋰電池的老化和容量衰減也可能由電解液被消耗所導致。表示：“透過我們的新技術不僅能夠獲得析鋰量和電解液消耗量這兩個關鍵指標的實時資訊，還能夠基於此實現對鋰離子電池的智慧管理。”
並且，電池衰減狀態的實時感知，可以精準反映電池安全狀態的改變，例如析鋰意味著電池有微短路的風險，需要採取特定措施避免該風險。
圖丨快充過程中電池衰減的定量監測（來源：Nature Communications）
在以往的認知中，電池熱導率只是電池熱管理所需要用到的引數之一。而該團隊在概念上創新，將電池熱導率作為感測訊號，建立了電池熱導率和電池衰狀態變化之間的定量關係，最終開發出簡單、準確、可量化的電池熱導率模型。
據悉，課題組目前聚焦於器件的熱感測和熱管理研究，包括電子器件熱管理，微納尺度熱感測和熱成像，儲能器件的熱解決方案，量子器件的聲子調控等。他們致力於探索器件本身效能的溫度依賴性，並基於溫度依賴性開發智慧熱管理方案。
在此前的研究中，該課題組利用電極尺度的嵌入式感測，得出熱導率與鋰離子濃度的定量關係，從電極表面獲得相關衰減資訊[2]，也為本次研究奠定了堅實的基礎。
接下來，他們計劃基於現有感測器，進行感測和調控一體化的嘗試。“希望我們的熱感測方法接下來可以實現對電池的調控，在感知電池衰減狀態改變的同時，能夠針對特定的狀態來調整執行工況。”表示。
參考資料：
1、Zeng, Y., Shen, F., Zhang, B. et al. Nonintrusive thermal-wave sensor for operando quantification of degradation in commercial batteries. Nature Communications 14, 8203 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-43808-9
2、Zeng, Y. et al. Operando spatial mapping of lithium concentration using thermal-wave sensing. Joule 5 (8), 2195-2210 (2021). https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.06.008
排版：劉雅坤
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