在當(dāng)今的能源領(lǐng)域，鋰離子電池憑借其高能量密度、長循環(huán)壽命等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于電動汽車、儲能系統(tǒng)等多個關(guān)鍵領(lǐng)域。然而，由多個鋰離子電池構(gòu)成的電池組存在熱擊穿的風(fēng)險，這猶如一顆隱藏的 “定時炸彈”，給相關(guān)應(yīng)用帶來了嚴(yán)重的安全威脅。

以電動汽車為例，想象一下，在行駛過程中，電池組中的一個電池單元因制造缺陷或受到外部沖擊而發(fā)生故障。此時，該電池單元內(nèi)部會迅速產(chǎn)生熱量，溫度急劇上升。由于電池組中多個電池單元緊密相連，這個故障電池單元產(chǎn)生的熱量會傳遞給相鄰的電池單元，引發(fā)它們也相繼出現(xiàn)問題。隨著更多電池單元卷入這種不良反應(yīng)，大量的熱量和氣體被釋放出來，最終可能導(dǎo)致整個電池組發(fā)生熱擊穿。一旦熱擊穿發(fā)生，車輛可能會突然起火，甚至爆炸，嚴(yán)重危及駕乘人員的生命安全以及周圍環(huán)境的安全。在儲能系統(tǒng)中，熱擊穿同樣可能引發(fā)大規(guī)模的火災(zāi)，造成巨大的財產(chǎn)損失。

熱擊穿的發(fā)生并非偶然，其背后有著復(fù)雜的原理。當(dāng)電池內(nèi)部出現(xiàn)短路等異常情況時，電流會急劇增大，產(chǎn)生大量的焦耳熱。同時，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)也會因溫度升高而加速，進(jìn)一步釋放熱量。這些熱量如果不能及時散發(fā)出去，就會形成一個惡性循環(huán)：溫度越高，反應(yīng)越劇烈，產(chǎn)生的熱量就越多，最終導(dǎo)致電池?zé)釗舸?

面對如此嚴(yán)峻的問題，檢測熱擊穿情況顯得至關(guān)重要。為此，眾多科研人員和企業(yè)積極投入研發(fā)，開發(fā)出了一系列有效的檢測技術(shù)。

霍尼韋爾傳感與生產(chǎn)力解決方案公司推出的 BAS 系列汽車級電池氣溶膠傳感器，便是其中的佼佼者。該傳感器巧妙地利用光散射原理來檢測鋰離子電池組的熱擊穿事件。其工作過程如下：當(dāng)傳感器開啟后，會向一股空氣發(fā)射光線，若空氣中存在諸如煙霧、液體和碎屑等氣溶膠(這些正是熱擊穿事件發(fā)生的早期指標(biāo))，氣溶膠中的顆粒會散射光線，隨后光傳感器會測量散射的光線，并產(chǎn)生一個與顆粒密度成比例的電信號。BAS 系列傳感器能夠精準(zhǔn)測量濃度在 200μg/m3 到 10000μg/m3 范圍內(nèi)的氣溶膠，并及時發(fā)出報告。它還設(shè)有工廠設(shè)定的熱擊穿報警閾值，具體為 5000μg/m3，且響應(yīng)時間小于 1 秒，這意味著一旦氣溶膠濃度達(dá)到危險值，傳感器能在極短的時間內(nèi)發(fā)出警報。在通信方面，連續(xù)工作模式下的控制、數(shù)據(jù)傳輸和報警通過控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)通信協(xié)議進(jìn)行，該協(xié)議在車輛環(huán)境中已廣泛應(yīng)用，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。根據(jù)電池管理系統(tǒng)(BMS)設(shè)置的 “請求” 輸入線路的狀態(tài)，BAS 傳感器有兩種工作模式。在 ECO 模式下，當(dāng) “請求” 線路保持低電平(低于 0.5V)時，傳感器會進(jìn)入經(jīng)濟(jì)模式，它會被喚醒并工作 200ms，然后在接下來的 12000ms 內(nèi)進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省電力，通過禁用 CAN 總線還能進(jìn)一步降低功耗。一旦發(fā)生閾值事件，即顆粒物濃度超過 5000mg/m3，傳感器會立即向 BMS 發(fā)送一個喚醒信號，啟動全電池系統(tǒng)檢查。而在連續(xù)工作模式下，當(dāng) BMS 將 “請求” 線路設(shè)置為高電平(8V 至 16V 之間)時，傳感器會不斷監(jiān)測氣溶膠濃度，并使用 CAN 總線的 8 字節(jié)信息向 BMS 報告。這兩款傳感器的標(biāo)稱工作電壓為 12V，范圍在 8V 到 16V 之間，在 ECO 模式下電流小于 0.5mA，在連續(xù)模式下電流小于 30mA，具有低功耗的優(yōu)勢。在安裝方面，只要在中空的檢測腔兩側(cè)有 10cm 的間隙，就能以任何方向?qū)鞲衅靼惭b在封閉的電池組內(nèi)，但要特別注意不能阻塞電池組的排氣閥。通過使用該傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)對鋰離子電池組熱擊穿的早期檢測，極大地降低了安全風(fēng)險，同時也有助于符合國際建議和法規(guī)，因為其設(shè)計符合最高的質(zhì)量和可靠性標(biāo)準(zhǔn)。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫金華教授和王青松研究員團(tuán)隊與暨南大學(xué)郭團(tuán)教授團(tuán)隊合作，在鋰離子電池?zé)崾Э毓饫w檢測早期預(yù)警領(lǐng)域取得了突破性成果。他們成功研制出可植入電池內(nèi)部的高精度、多模態(tài)集成光纖傳感器。由于電池的密閉結(jié)構(gòu)和內(nèi)部復(fù)雜的反應(yīng)機(jī)制，以往電池內(nèi)部核心狀態(tài)參量檢測的準(zhǔn)確性和實時性難以保證，而最新報道的一些具有 “透視” 檢測能力的科學(xué)儀器，如中子衍射、X 射線衍射、冷凍電鏡等，因體積龐大、價格昂貴，無法應(yīng)用于電池使用終端。針對這一難題，該團(tuán)隊提出的多模態(tài)集成光纖原位監(jiān)測技術(shù)具有獨特優(yōu)勢。這種可植入電池內(nèi)部的傳感器能夠在 1000℃的高溫高壓環(huán)境下正常工作，實現(xiàn)了對電池?zé)崾Э厝^程內(nèi)部溫度和壓力的同步精準(zhǔn)測量，有效攻克了熱失控極端環(huán)境下溫度與壓力信號相互串?dāng)_的難題。通過解耦電池產(chǎn)熱和氣壓變化速率的新方法，團(tuán)隊首次發(fā)現(xiàn)了觸發(fā)電池?zé)崾Э劓準(zhǔn)椒磻?yīng)的特征拐點與共性規(guī)律，能夠精準(zhǔn)判別電池內(nèi)部微觀 “不可逆反應(yīng)”，為快速切斷電池?zé)崾Э劓準(zhǔn)椒磻?yīng)、保障電池在安全區(qū)間運行提供了有力手段。在未來，鑒于光纖傳感器尺寸小、形狀靈活、具有抗電干擾性和遠(yuǎn)程操作能力，且適合大規(guī)模生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)制造技術(shù)，還可以實現(xiàn)一根光纖在電池的多個位置同時監(jiān)測溫度、壓力、折射率、氣體組分和離子濃度等多種關(guān)鍵參數(shù)，光纖傳感技術(shù)與電池的結(jié)合必將在新能源汽車、儲能電站安全檢測等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

北京理工大學(xué)的研究人員提出了一種新的植入式傳感系統(tǒng)，為鋰離子電池內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)測帶來了新的思路。隨著可再生能源存儲需求的增長，大容量鋰離子電池快速發(fā)展，對其內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)測，尤其是早期故障診斷至關(guān)重要。熱故障(如短路、過熱)和機(jī)械故障(如果凍卷屈曲、電極斷裂)可能引發(fā)燃燒或爆炸，因此需要精準(zhǔn)識別內(nèi)部溫度與應(yīng)變分布異常。傳統(tǒng)植入式傳感器存在諸多弊端，如需破壞電池結(jié)構(gòu)，易受電解液腐蝕且信號被金屬外殼屏蔽，影響電池穩(wěn)定性且工藝不兼容。而新提出的植入式傳感系統(tǒng)具有微型化、低功耗的特點，能夠?qū)崟r監(jiān)測鋰離子電池內(nèi)部的溫度和應(yīng)變信號，并通過無線方式傳輸數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)以非侵入式配置組裝到果凍卷上，對電池性能影響極小，與電池制造工藝高度兼容。集成該植入式傳感系統(tǒng)的方形電池在 1000 次循環(huán)中表現(xiàn)出高穩(wěn)定性，容量損失有限(<8%)，幾乎與原始鋰離子電池的循環(huán)穩(wěn)定性相同，可實現(xiàn)對商用鋰離子電池整個使用壽命的實時監(jiān)控。為了進(jìn)一步實現(xiàn)對果凍卷熱故障和機(jī)械故障的早期預(yù)警，研究人員建立了幾何相關(guān)的 ISC 模型和膨脹模型，通過分析捕獲的電池內(nèi)部信號，能夠及早識別果凍卷中的異常溫度和應(yīng)變信號。這種可植入的傳感系統(tǒng)為商用鋰離子電池內(nèi)部的早期故障診斷和預(yù)警提供了一個極具前景的平臺。

在檢測鋰離子電池組熱擊穿事件方面，科學(xué)家們已經(jīng)取得了諸多成果，從氣溶膠傳感器到光纖傳感技術(shù)，再到新型植入式傳感系統(tǒng)，多種技術(shù)手段不斷涌現(xiàn)。然而，這一領(lǐng)域仍有廣闊的發(fā)展空間。未來，隨著科技的不斷進(jìn)步，我們期待能夠開發(fā)出更加精準(zhǔn)、高效、智能的檢測技術(shù)，進(jìn)一步提高鋰離子電池組的安全性，為電動汽車、儲能系統(tǒng)等行業(yè)的蓬勃發(fā)展提供堅實保障。