01引言

近年來，新能源汽車和儲能的快速發展為電池產業帶來了巨大的發展空間。高速發展的同時伴隨著諸多挑戰，電池在使用時參數與狀態多樣且時變、內部物理和電化學參數存在分布不均的特點，意味著在使用和儲存過程中電池的物理狀態量等參數難以精確實時測量，在極端工況、快充、老化等場景下會出現電壓異常、局部析鋰、內部溫升過高、局部過熱等問題。而高效、安全的電池管理系統是保障電動汽車運行的關鍵，顯然當前的電池管理系統無法滿足需求，特別是當前電池管理系統無法做到單體層面的內部狀態實時管控。

隨著電池性能的提升，大倍率、高容量的電池已經得到普及，而在運行過程中電池內部溫度和外部溫度存在明顯差異，且溫度分布不均勻。傳統的通過大型實驗裝置來探測鋰電池內部溫度的方法無法實現車載應用，而通過直接植入光纖/去除部分活性材料的方法會導致電池的極片凸起、活性材料損傷和電化學性能損傷，并且無法實現商業化應用。本工作通過開發一體化功能極片，將微型傳感器與極片的集流體層相結合，實現了傳感器的無損植入。此處我們選擇植入光纖傳感器，實現了軟包鋰電池內部溫度的分布式無損測量和全生命周期的測試。可將現有的方案應用到車載電池管理系統（BMS）中，為先進BMS提供可行的商業化解決方案。

02成果展示

包含一體化功能極片的安時級軟包電池

本研究首先創新性提出一體化功能極片的設計方案，并選擇光纖作為傳感器進行植入驗證。基于光頻域反射技術（OFDR），測量了鋰電池在初始狀態（BoL）和老化狀態（EoL）的內部溫度演變和二維分布。基于一體化功能極片技術，我們在磷酸鐵鋰（LFP）和三元（NCM523）兩種材料體系的Ah級軟包電池中進行驗證，并設計了兩種不同的光纖布局方式（S型和U型）進行鋰電池內部溫度分布式測量。

基于上述實驗，我們首次完成了鋰電池的無損植入和全生命周期的電化學性能測試，并獲取了電池在循環初期和老化后的溫度演變規律和溫度分布。通過循環容量、阻抗和半電池測試，驗證了我們提出的植入方案不會影響電池的電化學性能。通過拆解表征和組件形貌分析，驗證了傳感器的防腐設計，并證實一體化功能極片的設計不會導致極片析鋰、活性材料損失等不良影響。同時，我們證明了老化電池在放電階段溫度快速上升，需要重點關注。

該研究工作以“Non-damaged lithium-ion batteries integrated functional electrode for operando temperature sensing”為題發表在期刊Energy Storage Materials上。團隊王秀武博士為第一作者、朱建功副教授和戴海峰教授為共同通信作者，同濟大學汽車學院為第一完成單位。

03圖文導讀

圖1 鋰電池一體化功能極片設計。(a)一體化功能極片設計概念圖；(b) Ah級軟包疊片電池的制作流程；(c)一體化功能極片的功能基體以及CT測試圖。

表1 本工作中軟包電池及半電池命名規則

圖 2 NCM和LFP電池組的電化學性能對比。(a) NCM電池組1C倍率長循環容量曲線；(b) NCM電池組在不同循環次數后的標定容量；(c-d) 有植入和無植入的NCM軟包電池的阻抗圖譜。(e) LFP電池組1C倍率長循環容量曲線；(f) LFP電池組在不同循環次數后的標定容量；(g-h) 有植入和無植入的LFP軟包電池的阻抗圖譜。

在鋰電池內部植入傳感器以測量內部信號，不影響電池的循環壽命和電化學特性是一個非常重要的目標。在本工作中，通過一體化功能極片的設計，實現了安時級軟包電池的全生命周期的電化學性能測試，并通過實驗對比證明了無損植入的效果。我們首先在NCM材料體系中進行實驗，在1C倍率循環400圈后，植入光纖的軟包電池NCM-U的標定容量保持率為90.5%，而無植入的參考電池標定容量保持率為87.3%。為了驗證植入方法的有效性，我們將該植入方法移植應用在LFP材料體系的軟包電池中，并獲得了同樣優異的效果。

在1C倍率條件下循環800圈后，LFP-N、LFP-S和LFP-U的標定容量保持率分別為84.6%、85.4%以及85.4%。由此，我們證明了通過一體化功能極片的設計方案，可保證在鋰電池內部植入傳感器而不損傷電池的循環壽命。同時，我們還對不同循環圈數條件下的電池做了阻抗測試（0%SOC和100%SOC），通過對阻抗曲線的擬合對比，再次驗證了一體化功能極片的設計對鋰電池沒有影響，相同循環條件下的有植入電池和無植入的普通電池其阻抗參數非常接近。

圖 3 LFP -S和LFP-U在循環老化后的拆解組件光學照片、半電池測試結果。

圖 4 NCM-U在循環老化后的拆解組件光學照片、半電池測試結果。

由于鋰電池內部復雜的電化學環境，在鋰電池內部植入傳感器首先要解決電解液對傳感器/保護基體的腐蝕問題，并且要實現鋰電池內部組件不影響傳感器的正常工作。而鋰電池在生產/服役過程中不僅要面對壓力的波動（熱壓化成、充放電過程中的極片厚度變化），電解液的化學特性變化、極片的老化和熱-力-電特性的復雜環境都會對傳感器的正常工作造成影響。通過對循環老化后的一體化功能極片進行拆解表征，證實了我們的設計可以滿足傳感器在鋰電池內部復雜的電化學環境中穩定工作，極片和保護基體形貌完好，無析鋰現象和極片凸起。隔膜表面無過渡金屬元素析出，而電池容量的下降主要是正負極的正常老化所引起的，這也通過的半電池的電化學測試得到驗證。

圖 5 新鮮電池在1C倍率條件下充放電時內部溫度演變規律和溫度分布。

圖 6 老化后的電池在1C倍率條件下充放電時內部溫度演變規律和溫度分布。

圖 7 使用一體化功能極片的電池的電化學特性對比及內部溫度演變規律分析。

一體化功能極片的設計目的是為了實時、無損的分布式測量電池內部溫度信息。我們基于OFDR的光纖測量技術，對BoL和EoL狀態下的電池在1C倍率的充放電過程中的溫度演變和分布規律做了可視化展示。對于新鮮電池，由于內阻較小，在充電過程中電池處于恒流條件下的時間較長，其溫度在充電過程中逐漸上升，并且在電池的極耳附近和幾何中心點處的溫度較高。而電池老化后的內阻較大，由于極化電壓的影響電池在恒流階段的充電時間明顯減少，特別是對于導電性能略低的LFP電池，其處于恒流充電的時間幾乎可以忽略。

因此，對于鋰電池來說，分析充電階段的溫度演變規律比較困難。而由于本工作采用的是CC-CV充電工步，CC（恒流）的放電工步，因此分析放電階段的鋰電池內部溫度演變規律變得簡單易懂。由于歐姆內阻的影響，鋰電池在放電階段的溫度最高點總是出現在放電結束時刻，同時極片靠近極耳的區域和幾何中心點處溫度偏高。由于電池老化導致內阻增大，導致電池在放電過程中產生大量的焦耳熱，熱量的累積導致電池內部溫度快速上升。在BoL狀態下，LFP-U和LFP-S 在放電過程中的溫升速率分別為0.294 °C/min、0.302 °C/min，而電池老化后（EoL），LFP-U和LFP-S 在放電過程中的溫升速率分別增長至0.582 °C/min、0.453 °C/min。同時，老化后的LFP電池熱點區域在放電末期溫升可高達21 °C，這是非常值得注意的。

04小結

隨著大容量、高性能的電池的應用，傳統的電池管理系統缺乏對電池內部狀態信息的有效監測，從而造成管理不足。而傳感器植入造成的電池性能損傷、電池內部的復雜電化學環境是制約鋰電池內部信息監測的瓶頸問題。通過一體化功能極片的設計，我們實現了無損植入并可分布式原位測量電池內部信息。我們利于光纖傳感器成功監測了鋰電池內部的溫度演變和二維分布，并對使用一體化功能極片的電池進行全生命周期的電化學性能測試。通過電化學參數對比分析、拆解表征和無損原位測試等，我們證明了一體化功能極片的設計可在不影響電池的電化學性能的前提下實現內部信息的原位測量，同時我們設計的一體化功能極片也不受電解液腐蝕的影響。經過800圈1C倍率的循環測試，我們證實鋰電池在老化后的放電階段溫升速率增大，內部熱點區域的溫度可在放電末期上升21 °C。本工作為鋰電池無損植入測量內部信息提供了一種新穎的方法，并為未來的BMS的改進和相關電池設計/管理提供了新的思路。

審核編輯：劉清