中国科大开发出长效稳定的锂离子电池原位膨胀力监测技术

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中国科学技术大学苏州高等研究院的潘挺睿教授和常煜研究员团队，与中国科学技术大学工程科学学院热科学和能源工程系的谈鹏教授团队，以及中国科学院深圳先进技术研究院的唐永炳教授和张帆研究员团队合作，于4月25日在《national science review》上发表了题为“unified iontronic sensing for operando monitoring of physical-chemical events in lithium-ion batteries”的研究论文。

锂离子电池因其高能量密度和长循环寿命，成为电动汽车和储能系统的核心。然而，锂枝晶生长和SEI膜生长等问题对电池的使用安全和服役寿命构成威胁。在电池内原位检测枝晶和SEI膜生长过程中的膨胀力变化，被认为是实现早期预警和精准监测的有效方法。传统的植入式光纤监测方法存在系统尺寸大、光纤力学性能脆弱等问题；而柔性压力传感器在腐蚀性电解液环境中长期稳定性不足。

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图：系统示意图 (a) 植入电池内的一体式离电传感技术；（b）一体式离电传感器结构图；（c）压力传感单元压力响应机理；（d）参比单元监测电解液离子电导性原理；（e）通过补偿算法消除环境因素对压力传感单元的干扰

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针对这一挑战，本研究开发了一种基于一体式离电传感技术的新型原位监测技术，利用锂离子电池自身的电解液和材料构建传感界面，无需额外封装即可实现高精度压力监测。这种结构不仅与电池材料高度兼容，还解决了传统柔性压力传感器在腐蚀性环境中的稳定性难题。实验表明，一体式离电传感技术可以对Pa级别的膨胀力变化产生响应，并能在电池内稳定工作超过1个月。该技术可通过压力曲线不对称性和峰值变化捕捉到锂枝晶的不可逆沉积。作为验证，通过充放电循环400周加速老化实验，记录了因SEI层增厚和锂枝晶生长导致的压力累积，发现压力变化与容量衰减趋势高度吻合。该技术为智能电池设计开辟了新路径，其低成本、高精度和长寿命特性尤其适用于车载电池管理系统。

中国科学技术大学苏州高等研究院智能医疗器械研究中心的常煜、汪若江以及中国科学院深圳先进院的程玙和贾蕊为本文的第一共同作者；中国科学技术大学苏州高等研究院智能医疗器械研究中心的潘挺睿、常煜，工程科学学院热科学和能源工程系的谈鹏以及中国科学院深圳先进技术研究院的唐永炳和张帆为文章的共同通讯作者。该成果得到了科技部、基金委、中国科学技术大学以及钛深科技（深圳）有限公司的资助。

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 2025-05-08