邱健蓄电池采用非侵入式传感器的智能电池用于电极表面电位分布的原位映射

锂离子电池（LIBs）已成为现代储能系统的柱石，其使用领域涵盖便携式电子设备、电动汽车及可再生能源电网等[1]。但是，为完成更高能量密度、更长循环寿数及更强安全性，亟需在电池规划、制作与使用方面取得进一步打破[2,3]。高功能锂离子电池开展面临的应战之一在于微观标准电极异质性（如制作缺点与涂层不均）引发的电池内部部分微过充问题[[4], [5], [6]]。部分微过充以颗粒或区域层面的部分过锂化为特征，其成因源于电池内部电位散布的非均匀性。这种不均匀散布会导致过量电流涌入低电阻区域，然后明显降低电池功能与使用寿数。例如，D.Mohanty等人[7]发现，在2C倍率条件下，带有缺点的NMC电池在200次循环后容量保持率仅为无缺点电池的12.5%。这些缺点可分为金属污染、点缺点、线缺点以及电极成分与微观结构的不均匀性[[7], [8], [9]]。金属污染是锂离子电池制作进程中的要害缺点，对安全性和功能构成严重威胁。当这些金属颗粒在充放电循环期间因电势差刺穿隔阂，或经过电化学迁移导致隔阂穿孔时，会当即引发内部短路(ISC)。Wu等人[10]选用原位红外光谱研讨了金属异物诱发锂离子电池内部短路的成因，并提供了全面的风险评价。此外，缺点邻近区域一般表现出异常的锂离子分散速率和电荷转移阻抗，导致相对于无缺点区域产生部分过电位或欠电位。此类电位偏差不只反映了潜在缺点的严重程度与空间散布特征，还可作为电池前期功能退化的预警指标。
解决这些缺点对于提高锂离子电池（LIBs）的质量与可靠性至关重要。需求在生产进程中前期选用先进的检测与质量保障办法，以辨认并消除这些缺点。传统缺点检测办法（如自主视觉检测、固态核磁共振）及显微技能（如扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X射线衍射（XRD））虽能提供电极微观结构的具体信息，却无法完成实时监测[[11], [12], [13]]。同步辐射XRD、全场衍射X射线显微镜等原位表征技能，以及软X射线谱学技能（如X射线吸收光谱、X射线发射光谱和共振非弹性X射线散射）的最新进展，深化了咱们对循环条件下颗粒描摹动态改变与电化学进程的了解[[14], [15], [16]]。但是，这些办法一般缺乏辨认异常行为确切方位或捕捉部分异常快速演化所需的空间和时间分辩率。这一局限性在了解微观标准不均匀性怎么驱动电池退化和失效方面留下了要害空白。此外，目前鲜有合适的办法可用于辨认操控部分电势及其对电池功能与安全性影响的微观标准现象。
集成先进传感技能、资料科学与人工智能的智能电池面世，标志着电池技能在功能、安全性和效率方面较传统技能完成了严重腾跃[17,18]。智能电池技能为实时监测提供了新的可能性。从内部传感器集成的视点来看，具有实时感知才能的智能电池是根底[19,20]。这些电池选用多维物理传感器来监测温度、应变、燃料费（Gas）和压力等要害内部参数[[21], [22], [23]]。例如，光纤布拉格光栅传感器可检测电池内部的温度梯度和机械应力，而化学电阻资料能感知气体析出[24]。Erhard S. V.等学者[25]研讨了NMC/石墨软包电池的内部电流散布，然后能够评价电池内部电势和电流密度散布的均匀性。Osswald P. J.等[26]将电位与温度测量集成至商用圆柱形锂离子电池中，以获取不同作业条件下的电位与温度改变。同样，歪斜光纤布拉格光栅传感器可经过感测折射率改变来监测电解液环境，这对检测前期劣化痕迹至关重要[27,28]。此外，电池隔阂也针对内部短路的前期检测与预警进行了优化，然后提高了电池安全性[29,30]。动态响应智能电池选用可根据传感器数据适应环境改变的智能资料，这类资料包含自修正聚合物、形状回忆合金和热敏电解质[31,32]。此类立异技能经过无损成像完成内部缺点检测、利用数据分析进行前期缺点辨认，并经过评价电池健康状态提供安全预警，然后延长电池寿数并提高系统全体可靠性与功能。
本研讨开发了集成微标准电位传感器阵列的智能电池系统，完成了电极外表非均匀电位散布的原位图谱绘制。与近期报导的"散布式参比电极"技能不同——后者需在电极堆中嵌入多个锂金属或Li₄Ti₅O₁₂探针以获得相对Li/Li⁺的真实热力学电位——+在每一处方位[33,34]，本文所选用的微电位计条带并非参比电极。该装置仅测量集流体箔片上的相对电位差，经过生成空间分辩极化散布图来完成缺点检测，且无需引入额定锂源。这一立异办法满意了锂离子电池部分电极缺点非侵入式检测的要害需求，一起阐明了电极异质性与外表电位行为之间杂乱的相互作用机制。咱们首先具体论述了传感器集成智能电池的制备工艺，随后系统研讨了电极外表电位散布特性，并深入分析了缺点诱导电位差对电池功能的影响机制。最终，本文总结了该研讨的核心发现，提出了未来研讨的要点方向，旨在为提高新一代锂离子电池（LIBs）的可靠性、安全性及功能监测才能提供可行路径。