封面故事

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内埋多场传感,无线实时监控

研究背景

锂离子电池由于它的高比容、高电压等特性,已成为世界上使用范围最广的能源载体之一,并广泛应用于电动汽车、储能电站、电子通信和航空航天等各个领域。锂电池的热安全性更是电动汽车和储能系统的重中之重, 一旦单体的热失控扩散到整个电池系统,就会发生类似北京丰台储能电站火灾等的重大安全事故。近日新闻报道的多起锂电池安全事故也反映了亟需研发相关的预警系统,守护人民的生活、生命安全。近年来,如何监控锂离子电池的内部温度场、应变场等变化并在整个生命周期中获得热失控预警已成为行业和学术界都面临的挑战。

图1:锂电池火灾事故

研究进展

由于电池目前普遍使用卷绕结构,外部温度的响应速度远低于内部温度,在热失控即将发生时,电池外壳上温度传感器无法及时获得异常升高的温度进行提前预警,因此内部信号的实时传输尤为重要。近日,北京理工大学陈浩森、宋维力课题组开发了一个植入式无线信号传输系统,通过在锂电池内部埋入多场传感器,实现无线实时系统监控。

图2:无线信号传输系统原理图。a 温度传感,b 数据传输,c 信号恢复。

该系统能够在锂电池内部复杂的电解质环境中正常运行,保证电池和植入式传感器均不会受到影响,同时实现跨屏蔽层的无线信号传输。在实现过程中,将50μm厚度的超薄温度传感器组装到电池的卷芯结构中,为了有效地获取内部温度,传感器组装在集流体(铜箔或铝箔)的表面上,然后采用了化学惰性材料和良好密封封装工艺的芯片通过电池的金属壳向外传输内部温度、应变等信号。如果中电池中有热失控,则这种植入的无线信号传输系统可以轻松检测到圆柱形电池内部中央卷芯结构的异常温度升高,实现热失控的提前预警。

图3:21700 锂离子电池核心内嵌无线传感器原理图以及长时在位稳定性表征。

未来展望

植入式无线信号传输系统可以使圆柱电池卷芯结构内部的温度更准确及时地传递到电池管理系统(BMS)。该技术通过在电池内部植入不同类型的传感器,为获取圆柱电池的各种内部信息开辟了一个新颖的平台。更重要的是,BMS能够实现对电池内部异常情况的早期预测,从而可以进行安全预警。

基金资助信息

本工作由北京理工大学先进结构技术研究院方岱宁院士团队中的能源电池小组(负责人:陈浩森教授,宋维力教授)负责的完成,并获得北京市科委科技重大专项基金(Z191100002719007)和国家自然科学基金 (11672341) 的资助。

陈浩森

教授,博士生导师。主要从事固体力学研究,近五年,以第一作者或通信作者在J. Mech. Phys. Solids、Phys. Rev. Lett. (Editors’ Suggestions)、Adv. Mater、J. Mater. Chem. A (Front Cover)发表SCI期刊论文20余篇,研究成果应用于多家国防与工业单位。曾获国家自然科学基金优青项目(2019)、获全军优秀硕士论文、首届“中国力学优秀博士学位论文”和中国力学学会青年科技奖。现担任中国力学学会理事。研究兴趣:1) 电化学固体力学、2) 电池先进结构技术、3) 动态失效固体力学。

宋维力

教授,博士生导师,入选北京理工大学特立青年学者。2012年博士毕业于北京理工大学材料学院,2010-2013年间分别在美国克莱姆森大学及美国华盛顿大学从事研究工作,2012 年在北京科技大学从事教师工作,2017年加入北京理工大学先进结构技术研究院,以第一/通信作者在 Angew Chem Int Ed, Adv Mater, Adv Energy Mater, Adv Funct Mater, Adv Sci, Energy Environ Sci, Energy Storage Mater, Chem Rev等期刊发表SCI收录论文80余篇,ESI高被引论文11篇,论文他引超过8000次,H-index 42。主持自然科学基金、国防专项等项目累计10余项。申请专利10余项,担任Adv Mater, Acta Mater, ACS Nano等出版社40多种期刊审稿人,IJMMM青年编委。研究方向:1) 冶金电化学与电池电化学、2) 电极动力学与可视化技术、3) 智能可重构结构与系统。

原标题:《封面故事|守护生命安全——北京理工大学陈浩森团队研制锂离子电池热失控预警系统》

本文来自:百度新闻,原文:封面故事

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