2025年5月14日晚，北京理工大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院陳浩森教授團(tuán)隊在Nature雜志發(fā)表研究論文，另辟蹊徑交出“智能電池”力學(xué)答卷。

　　文章題為“Wireless transmission of internal hazard signals in Li-ion batteries”。為確保商用電池安全運行，及時獲取電池內(nèi)部信號并實現(xiàn)早期故障診斷與預(yù)警至關(guān)重要。因此，團(tuán)隊自主研制了一種電池單體無損植入式智能傳感系統(tǒng)，可長期、穩(wěn)定且準(zhǔn)確地測量并無線傳輸電池內(nèi)部信號，從而顯著提升電池的安全性和長期運行穩(wěn)定性。

　　論文第一作者均為北京理工大學(xué)自主培養(yǎng)，包括博士研究生樊金保、碩士研究生劉晨晨、2022屆博士研究生李娜(現(xiàn)為北京科技大學(xué)博士后)，通訊作者為北京理工大學(xué)陳浩森教授、孫磊副教授和宋維力教授，北京理工大學(xué)為第一完成單位和唯一通訊單位。

　　近年來，能源電池技術(shù)發(fā)展迅猛，但安全問題日益凸顯。據(jù)統(tǒng)計，2010-2024年間，全球共報告近萬起鋰離子電池安全事故，對新能源汽車、儲能系統(tǒng)等領(lǐng)域發(fā)展構(gòu)成重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)外部傳感技術(shù)難以滿足電池內(nèi)部風(fēng)險信號的早期精準(zhǔn)識別，使得植入式內(nèi)部傳感技術(shù)備受期待，但包括歐美《Battery 2030+》等研究計劃在內(nèi)的植入方案，仍存在破壞電池密封結(jié)構(gòu)、電磁屏蔽導(dǎo)致信號傳輸受限、長期穩(wěn)定性不足以及工業(yè)化兼容性較差等技術(shù)瓶頸。

　　區(qū)別于歐美的技術(shù)體系與思路，北京理工大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院陳浩森教授團(tuán)隊歷經(jīng)十余年多學(xué)科交叉攻關(guān)，另辟蹊徑，提出“中國方案”：(1)耐腐感知(測得準(zhǔn))：研制50μm薄膜耐化學(xué)/電化學(xué)腐蝕傳感器，解決了植入傳感器長壽命需求與電化學(xué)腐蝕環(huán)境的問題；(2)無損植入(埋得進(jìn))：提出兼容工業(yè)制造流程的無損植入工藝，解決了傳感器植入需求與電池全壽命周期穩(wěn)定服役的問題；(3)跨屏傳輸(傳得出)：研制基于載波傳輸?shù)奈⑿屯ㄐ判酒?，解決了傳感信號高效傳輸需求與電池單體外殼電磁屏蔽的問題；(4)智能預(yù)警(用得好)：基于長期監(jiān)測電池內(nèi)部傳感信號構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動分析模型，初步應(yīng)用于單體電池內(nèi)部失效早期預(yù)警。

　　基于此方案，團(tuán)隊設(shè)計了一種小型化、低功耗的植入式傳感系統(tǒng)，可以精確地感知和無線傳輸鋰離子電池內(nèi)部的溫度和應(yīng)變信號。該植入式傳感系統(tǒng)在商用100 Ah方形磷酸鐵鋰電池中具有超低功耗(0.068‰)；集成該傳感系統(tǒng)的方形電池在1000次循環(huán)中表現(xiàn)出高穩(wěn)定性，容量保持率為93.74%，這幾乎與未集成該系統(tǒng)的電池循環(huán)穩(wěn)定性相同。結(jié)合基于反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的預(yù)測模型和內(nèi)部應(yīng)變信號，實現(xiàn)了電極斷裂位置的定位?；谥踩霚囟葌鞲邢到y(tǒng)和內(nèi)短路觸發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)了對方形鋰離子電池內(nèi)部熱失效的早期診斷。該植入式傳感系統(tǒng)可以較早地識別出電池內(nèi)部異常溫度和應(yīng)變信號，從而提高了鋰離子電池的安全性。

　　未來十年，行業(yè)“用得好”是唯一評價標(biāo)準(zhǔn)，團(tuán)隊將聚焦：完善專用科學(xué)儀器，圍繞內(nèi)部植入傳感“Lab-in-chip”思路，提供揭秘電池內(nèi)部“黑箱”的無損科研工具；構(gòu)建數(shù)字孿生電池，結(jié)合自主研制的電池多尺度仿真軟件，解析“電池指紋”實現(xiàn)電池狀態(tài)精準(zhǔn)預(yù)測；制造本質(zhì)安全電池，融合智能傳感、計算軟件與AI算法，實現(xiàn)電池“早預(yù)警、早處置”的本質(zhì)安全。該工作推動了能源電池智能傳感在儲能電站、電動汽車的落地應(yīng)用，加速了能源電池的本質(zhì)安全進(jìn)程，推動行業(yè)邁向更安全、更可持續(xù)的未來，為全球新能源發(fā)展和“雙碳”目標(biāo)貢獻(xiàn)本質(zhì)安全的中國智慧。

　　該工作得到了國家重點研發(fā)計劃“儲能鋰離子電池智能傳感技術(shù)”(項目編號：2021YFB2401900)、國家自然科學(xué)基金委、北京市科委資助。

　　研究團(tuán)隊介紹

　　2015年，陳浩森教授創(chuàng)建能源電池先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究方向，組建力學(xué)、電池、芯片、傳感、電化學(xué)、AI跨學(xué)科研究團(tuán)隊。十年來，企業(yè)出題，“造刀+磨刀+砍柴”，解決電池企業(yè)設(shè)計、實驗和制造共性難題。

　　該成果得到了清華大學(xué)高華健院士等人的悉心指導(dǎo)，合作者包括中國科學(xué)院物理所李泓教授、西湖大學(xué)姜漢卿教授、清華大學(xué)馮旭寧副教授，北京理工大學(xué)侯舒娟、楊曉光、楊樂老師及博士生竇博文為本研究作出了重要貢獻(xiàn)。本文共同第一作者為樊金保、劉晨晨、李娜，感謝韓金棟、馮小龍、溫家偉、安虹諺、吳琦、張明亮等在前期無人區(qū)探索中付出的努力。

　　陳浩森

　　北京理工大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院教授

　　北京理工大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，國家重點研發(fā)計劃首席科學(xué)家，國家級高層次青年人才。主要從事固體力學(xué)研究，在J. Mech. Phys. Solids、 Phys. Rev. Lett.、 Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊發(fā)表SCI論文100余篇，多篇入選ESI高被引論文，研究成果應(yīng)用于中國工程物理研究院、寧德時代、比亞迪等單位，獲全國先進(jìn)儲能技術(shù)創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽一等獎。曾獲中國力學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文、中國力學(xué)學(xué)會青年科技獎、第17屆中國青年科技獎等。

　　宋維力

　　北京理工大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院教授

　　北京理工大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，國家重點研發(fā)計劃青年科學(xué)家項目首席，國家級高層次青年人才，北京理工大學(xué)特立青年學(xué)者。主要研究電化學(xué)工程(電化學(xué)冶金/電化學(xué)儲能/電化學(xué)防護(hù))中的動界面問題，交叉融合冶金、材料、力學(xué)等學(xué)科優(yōu)勢開展電化學(xué)可視化技術(shù)與應(yīng)用。以第一/通信作者在Chem. Rev.、 Sci. Adv.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、 Energy Environ. Sci.等期刊發(fā)表SCI論文100余篇。主持“十四五”國家重點研發(fā)計劃青年科學(xué)家項目、國家自然科學(xué)基金(面上/青年)等項目20余項。曾獲中國職業(yè)安全健康協(xié)會科技進(jìn)步獎一等獎(儲能電池燃爆風(fēng)險評估與防控技術(shù)及應(yīng)用)(2024年)、首屆教育部博士研究生學(xué)術(shù)新人(2010年)。

　　孫磊

　　北京理工大學(xué)集成電路與電子學(xué)院副教授

　　北京理工大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師，IEEE Senior Member。主要從事無線電子學(xué)、特種傳感通信技術(shù)研究。在IEEE Trans. Neural Netw. Learn. Syst., IEEE Trans. Veh. Technol., Pattern Recognit., Mech. Syst. Sig. Process.等期刊發(fā)表SCI論文10余篇，國際會議論文30余篇，兩次獲得國際會議最佳會議論文獎。獲得部級科技進(jìn)步二等獎4項，部級科技進(jìn)步三等成果獎3項(1項主持)，獲發(fā)明專利授權(quán)10余項。

　　樊金保

　　北京理工大學(xué)2022級博士研究生

　　北京理工大學(xué)2022級博士生，導(dǎo)師為陳浩森教授，研究方向為電池數(shù)字孿生。參與發(fā)表SCI收錄論文5篇，其中一作2篇，獲特等學(xué)業(yè)獎學(xué)金等榮譽。

　　劉晨晨

　　北京理工大學(xué)2021級碩士研究生

　　北京理工大學(xué)2021級碩士生，研究方向為鋰離子電池?zé)崾Э仡A(yù)警。參與發(fā)表SCI收錄論文3篇，其中一作1篇，授權(quán)發(fā)明專利1項，軟件著作權(quán)1項，獲一等學(xué)業(yè)獎學(xué)金等榮譽。

　　李娜

　　北京理工大學(xué)2022屆博士研究生

　　現(xiàn)為北京科技大學(xué)博士后，主要研究電池材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計、電解液浸潤、智能電池傳感及電極過程可視化與定量化技術(shù)研究。在Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Adv. Sci., eTransportation等期刊發(fā)表 SCI 收錄論文 37 篇，授權(quán)發(fā)明專利 5 項，參與多項國家級項目及企業(yè)合作研發(fā)項目。

　　出品：北京理工大學(xué)黨委宣傳部

　　素材：先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院

　　來源：北京理工大學(xué)微信公眾號