2025年5月14日晚，北京理工大學先進結構技術研究院陳浩森教授團隊在Nature雜志發(fā)表研究論文，另辟蹊徑交出“智能電池”力學答卷。

　　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，及時獲取電池內部信號并實現早期故障診斷與預警至關重要。因此，團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)定且準確地測量并無線傳輸電池內部信號，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(現為北京科技大學博士后)，通訊作者為北京理工大學陳浩森教授、孫磊副教授和宋維力教授，北京理工大學為第一完成單位和唯一通訊單位。

　　近年來，能源電池技術發(fā)展迅猛，但安全問題日益凸顯。據統(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)等領域發(fā)展構成重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)外部傳感技術難以滿足電池內部風險信號的早期精準識別，使得植入式內部傳感技術備受期待，但包括歐美《Battery 2030+》等研究計劃在內的植入方案，仍存在破壞電池密封結構、電磁屏蔽導致信號傳輸受限、長期穩(wěn)定性不足以及工業(yè)化兼容性較差等技術瓶頸。

　　區(qū)別于歐美的技術體系與思路，北京理工大學先進結構技術研究院陳浩森教授團隊歷經十余年多學科交叉攻關，另辟蹊徑，提出“中國方案”：(1)耐腐感知(測得準)：研制50μm薄膜耐化學/電化學腐蝕傳感器，解決了植入傳感器長壽命需求與電化學腐蝕環(huán)境的問題；(2)無損植入(埋得進)：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)：研制基于載波傳輸的微型通信芯片，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)智能預警(用得好)：基于長期監(jiān)測電池內部傳感信號構建數據驅動分析模型，初步應用于單體電池內部失效早期預警。

　　基于此方案，團隊設計了一種小型化、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部的溫度和應變信號。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。結合基于反向傳播(BP)神經網絡構建的預測模型和內部應變信號，實現了電極斷裂位置的定位?；谥踩霚囟葌鞲邢到y(tǒng)和內短路觸發(fā)技術，實現了對方形鋰離子電池內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部異常溫度和應變信號，從而提高了鋰離子電池的安全性。

　　未來十年，行業(yè)“用得好”是唯一評價標準，團隊將聚焦：完善專用科學儀器，圍繞內部植入傳感“Lab-in-chip”思路，提供揭秘電池內部“黑箱”的無損科研工具；構建數字孿生電池，結合自主研制的電池多尺度仿真軟件，解析“電池指紋”實現電池狀態(tài)精準預測；制造本質安全電池，融合智能傳感、計算軟件與AI算法，實現電池“早預警、早處置”的本質安全。該工作推動了能源電池智能傳感在儲能電站、電動汽車的落地應用，加速了能源電池的本質安全進程，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”目標貢獻本質安全的中國智慧。

　　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”(項目編號：2021YFB2401900)、國家自然科學基金委、北京市科委資助。

　　研究團隊介紹

　　2015年，陳浩森教授創(chuàng)建能源電池先進結構技術研究方向，組建力學、電池、芯片、傳感、電化學、AI跨學科研究團隊。十年來，企業(yè)出題，“造刀+磨刀+砍柴”，解決電池企業(yè)設計、實驗和制造共性難題。

　　該成果得到了清華大學高華健院士等人的悉心指導，合作者包括中國科學院物理所李泓教授、西湖大學姜漢卿教授、清華大學馮旭寧副教授，北京理工大學侯舒娟、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。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

　　北京理工大學先進結構技術研究院教授

　　北京理工大學教授、博士生導師，國家重點研發(fā)計劃首席科學家，國家級高層次青年人才。主要從事固體力學研究，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，獲全國先進儲能技術創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽一等獎。曾獲中國力學優(yōu)秀博士學位論文、中國力學學會青年科技獎、第17屆中國青年科技獎等。

　　宋維力

　　北京理工大學先進結構技術研究院教授

　　北京理工大學教授、博士生導師，國家重點研發(fā)計劃青年科學家項目首席，國家級高層次青年人才，北京理工大學特立青年學者。主要研究電化學工程(電化學冶金/電化學儲能/電化學防護)中的動界面問題，交叉融合冶金、材料、力學等學科優(yōu)勢開展電化學可視化技術與應用。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)計劃青年科學家項目、國家自然科學基金(面上/青年)等項目20余項。曾獲中國職業(yè)安全健康協(xié)會科技進步獎一等獎(儲能電池燃爆風險評估與防控技術及應用)(2024年)、首屆教育部博士研究生學術新人(2010年)。

　　孫磊

　　北京理工大學集成電路與電子學院副教授

　　北京理工大學副教授、碩士生導師，IEEE Senior Member。主要從事無線電子學、特種傳感通信技術研究。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。獲得部級科技進步二等獎4項，部級科技進步三等成果獎3項(1項主持)，獲發(fā)明專利授權10余項。

　　樊金保

　　北京理工大學2022級博士研究生

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

　　劉晨晨

　　北京理工大學2021級碩士研究生

　　北京理工大學2021級碩士生，研究方向為鋰離子電池熱失控預警。參與發(fā)表SCI收錄論文3篇，其中一作1篇，授權發(fā)明專利1項，軟件著作權1項，獲一等學業(yè)獎學金等榮譽。

　　李娜

　　北京理工大學2022屆博士研究生

　　現為北京科技大學博士后，主要研究電池材料與結構設計、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：北京理工大學黨委宣傳部

　　素材：先進結構技術研究院

　　來源：北京理工大學微信公眾號