大容量锂离子电池（LIBs），作为电源在各种应用中发挥着关键作用，包括便携式电子产品、电动汽车（EV）和可再生能源存储系统。
然而，人们越来越担心集成LIB系统的安全性，在2020年至2024年期间，有多达9486起事故的报告。
为了确保商用LIBs的安全应用，捕获内部信号以实现早期故障诊断和预警至关重要。监测电池果冻卷结构内的非均匀温度和应变分布为实现这一目标提供了一种有希望的方法。
在此，来自北京理工大学的宋维力、孙磊以及陈浩森等研究者提出了一个小型化和低功耗的系统，能够准确地感知和无线传输LIBs内部的温度和应变信号，而对其性能的影响可以忽略不计。相关论文以题为“Wireless transmission of internal hazard signals in Li-ion batteries”于2025年05月14日发表在Nature上。
随着可再生能源储能市场需求的持续增长，大容量锂离子电池（LIBs）迅速发展。
在采用大型卷芯结构的大容量电池中，监测内部状态及识别单体电池内部故障信号的能力，是实现故障早期诊断与保障电池安全可靠运行的关键。
作为锂电池常见的故障模式，热失效（如内部短路与过热）和机械失效（如卷芯起皱、结构破裂、电极断裂）均可能引发严重后果，包括可燃甚至爆炸性破坏。
因此，对卷芯内部温度与应变分布的非均匀性进行定量识别，是实现故障早期信号诊断的关键。
传统植入式传感器虽被用于监测内部信号，但往往需破坏电池密封结构以实现实时监测与信号传输。
这些传感器易受电解液腐蚀等恶劣电化学环境影响，导致传感器自身失效。
此外，金属电池壳体对内部信号具有电磁屏蔽作用，常需通过打孔实现有线植入，这种配置会显著削弱电池的稳定性和寿命，也难以兼容现有制造工艺。
在前期研究中，研究者虽已开发出多种植入式传感器与无线传输芯片，但其高成本与工艺不兼容性限制了实际应用。
因此，亟需一种兼容性更强、稳定性更高的植入技术，以实现商用锂电池内部早期故障信号的监测与诊断，尤其需解决电解液腐蚀、信号屏蔽及传感器工艺适配等关键挑战。
为应对上述问题，研究者提出了一种新型植入式传感系统，可用于商用锂电池内部温度与应变信号的高精度感知与无线传输。
得益于其微型化设计，该系统可以非侵入式方式集成于卷芯结构中，实现内部实时监测，且能兼容现有电池制造流程。
在一款100 Ah商用磷酸铁锂（LFP）棱柱形电池中，该系统功耗极低，仅为电池总能耗的0.068‰。
值得注意的是，植入该系统后的电池在超过1000次循环中依旧保持了高稳定性，容量衰减低于8%，与原始电池相近，确保了整个电池寿命周期内的实时监测能力。
此外，研究者基于植入系统采集的内部信号，建立了几何依赖的内部短路（ISC）模型与膨胀模型，可实现对卷芯中热失效与机械失效的早期预警。
综上所述，该集成化植入式传感系统兼具高灵敏度感知与无线传输能力，为商用锂电池的早期故障诊断与预警提供了极具前景的平台技术。
图1 一种用于精确传感和无线传输LIBs内部温度和应变信号的植入式传感系统。
图2 内部应变和温度的测量。
图3 圆柱形电池机械故障的定位。
图4 柱形电池热失效检测。
综上所述，研究者开发了一种微型化、低功耗的植入式传感系统，能够精准感知并无线传输锂离子电池（LIBs）内部的温度与应变信号。应变信号可用于定位内部结构断裂位置，而温度信号的快速响应则可实现对局部内部短路（ISC）及全面热失控的早期预警。
因此，这一非侵入式植入传感系统在提升下一代智能锂电池的安全性与可靠储能方面，迈出了关键一步。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08785-7
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