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

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，該電池單元內部會迅速產生熱量，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)它們也相繼出現問題。隨著更多電池單元卷入這種不良反應，大量的熱量和氣體被釋放出來，最終可能導致整個電池組發(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，造成巨大的財產損失。

熱擊穿的發(fā)生并非偶然，其背后有著復雜的原理。當電池內部出現短路等異常情況時，電流會急劇增大，產生大量的焦耳熱。同時，電池內部的化學反應也會因溫度升高而加速，進一步釋放熱量。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，反應越劇烈，產生的熱量就越多，最終導致電池熱擊穿。

面對如此嚴峻的問題，檢測熱擊穿情況顯得至關重要。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。

霍尼韋爾傳感與生產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)，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測量濃度在 200μg/m3 到 10000μg/m3 范圍內的氣溶膠，并及時發(fā)出報告。它還設有工廠設定的熱擊穿報警閾值，具體為 5000μg/m3，且響應時間小于 1 秒，這意味著一旦氣溶膠濃度達到危險值，傳感器能在極短的時間內發(fā)出警報。在通信方面，連續(xù)工作模式下的控制、數據傳輸和報警通過控制器區(qū)域網絡(CAN)通信協議進行，該協議在車輛環(huán)境中已廣泛應用，確保了數據傳輸的穩(wěn)定性和可靠性。根據電池管理系統(tǒng)(BMS)設置的 “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 “請求” 線路保持低電平(低于 0.5V)時，傳感器會進入經濟模式，它會被喚醒并工作 200ms，然后在接下來的 12000ms 內進入休眠狀態(tài)以節(jié)省電力，通過禁用 CAN 總線還能進一步降低功耗。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 BMS 將 “請求” 線路設置為高電平(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有 10cm 的間隙，就能以任何方向將傳感器安裝在封閉的電池組內，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，能夠實現對鋰離子電池組熱擊穿的早期檢測，極大地降低了安全風險，同時也有助于符合國際建議和法規(guī)，因為其設計符合最高的質量和可靠性標準。

中國科學技術大學孫金華教授和王青松研究員團隊與暨南大學郭團教授團隊合作，在鋰離子電池熱失控光纖檢測早期預警領域取得了突破性成果。他們成功研制出可植入電池內部的高精度、多模態(tài)集成光纖傳感器。由于電池的密閉結構和內部復雜的反應機制，以往電池內部核心狀態(tài)參量檢測的準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，無法應用于電池使用終端。針對這一難題，該團隊提出的多模態(tài)集成光纖原位監(jiān)測技術具有獨特優(yōu)勢。這種可植入電池內部的傳感器能夠在 1000℃的高溫高壓環(huán)境下正常工作，實現了對電池熱失控全過程內部溫度和壓力的同步精準測量，有效攻克了熱失控極端環(huán)境下溫度與壓力信號相互串擾的難題。通過解耦電池產熱和氣壓變化速率的新方法，團隊首次發(fā)現了觸發(fā)電池熱失控鏈式反應的特征拐點與共性規(guī)律，能夠精準判別電池內部微觀 “不可逆反應”，為快速切斷電池熱失控鏈式反應、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程操作能力，且適合大規(guī)模生產的標準制造技術，還可以實現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鍵參數，光纖傳感技術與電池的結合必將在新能源汽車、儲能電站安全檢測等領域發(fā)揮重要作用。

北京理工大學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，對其內部狀態(tài)監(jiān)測，尤其是早期故障診斷至關重要。熱故障(如短路、過熱)和機械故障(如果凍卷屈曲、電極斷裂)可能引發(fā)燃燒或爆炸，因此需要精準識別內部溫度與應變分布異常。傳統(tǒng)植入式傳感器存在諸多弊端，如需破壞電池結構，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，能夠實時監(jiān)測鋰離子電池內部的溫度和應變信號，并通過無線方式傳輸數據。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，可實現對商用鋰離子電池整個使用壽命的實時監(jiān)控。為了進一步實現對果凍卷熱故障和機械故障的早期預警，研究人員建立了幾何相關的 ISC 模型和膨脹模型，通過分析捕獲的電池內部信號，能夠及早識別果凍卷中的異常溫度和應變信號。這種可植入的傳感系統(tǒng)為商用鋰離子電池內部的早期故障診斷和預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，科學家們已經取得了諸多成果，從氣溶膠傳感器到光纖傳感技術，再到新型植入式傳感系統(tǒng)，多種技術手段不斷涌現。然而，這一領域仍有廣闊的發(fā)展空間。未來，隨著科技的不斷進步，我們期待能夠開發(fā)出更加精準、高效、智能的檢測技術，進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。