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鋰離子電池是手機、電動汽車等產品的核心儲能器件。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用中電池壽命、安全性及可靠性的關鍵，依賴于先進的電池傳感技術。多種傳感信號已被用于電池監(jiān)測，如溫度、壓力、電化學、聲學及光學等，然而，大多數(shù)現(xiàn)有傳感技術具有復雜、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，南方科技大學曾玉強助理教授課題組在電池傳感領域取得新進展，建立了電池衰減相關的熱導率模型，將電池熱導率作為電池衰減的定量監(jiān)測指標，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，團隊以電極熱導率為傳感信號，基于電極熱導率和鋰離子濃度之間的定量關系，量化了電極厚度方向的熱導率和鋰離子濃度的空間分布。在此基礎上，團隊利用電池熱導率對電池結構變化的強依賴性，將其作為電池衰減的定量指標。根據(jù)團隊建立的電池熱導率模型，電池的兩種主要衰減機制對其熱導率有著相反的影響：析鋰會降低負極顆粒與隔膜之間的緊縮熱阻而提高電池熱導率，電解液消耗則會降低流體部分的有效熱導率而降低電池熱導率?；陔姵責釋誓Ｐ停瑘F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。該方案由電池熱導率模型標定和熱導率實時測量兩部分組成。概念驗證研究表明，由實時測量的熱導率變化及趨勢，可以反推電池衰減源的演變過程，進而定量區(qū)分鋰沉積以及與副反應和鋰沉積相關的電解液消耗。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致的電池衰減，但加速了電解液的消耗，兩種衰減機制之間的平衡決定了電池的最佳運行溫度。團隊所開發(fā)的熱傳感方法具有簡單、非嵌入式和可量化的特點，能夠實時監(jiān)測真實世界的電池衰減，準確量化不同機制對于衰減的影響，為基于非嵌入式熱導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電池設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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