1. 研究背景
随着锂离子电池在电动汽车和储能等领域的大规模应用，其安全性问题日益受到关注。数据显示，仅2020至2024年间，全球已发生近9500起电池安全事故，部分事件造成了人员伤亡和财产损失。事故多源于电池内部的不可视故障过程，如短路、过热、结构变形等。但由于电池结构密封、电磁屏蔽强，内部状态信息难以获取，成为行业长期面临的技术难题。目前的故障检测主要依赖外部温度、电压等信号，但这些信号常常滞后于内部异常。虽然已有研究尝试使用植入式传感器，但仍存在功耗高、不耐电解液、需破坏封装等问题，难以满足商业化电池的实际需求。
面对上述挑战，北京理工大学宋维力教授、陈浩森教授、孙磊副教授与其课题组成员，提出了一套微型、低功耗、制造兼容的植入式传感系统，可实现电池内部温度与应变的实时无线传输，显著提升了锂电池的本体感知能力与故障预警水平。该研究成果于2025年5月发表在《Nature》期刊上。
2. 文章摘要
该研究设计了一套集成于电池卷芯内部的无线传感系统，包含温度与应变传感器及微型通信芯片，能够在不破坏电池结构的前提下，实时感知并传输电池内部的关键参数。该系统不仅可在方形与圆柱形电芯中稳定工作，且其对电池循环寿命的影响极小（1000次循环内容量衰减不超过8%）。基于该系统获取的信号，研究团队分别构建了热失控与机械断裂的识别模型，可提前预警内部短路、材料破裂等潜在风险。通过验证，该系统在电芯实际运行过程中，能精确区分热诱导与电化学诱导应变，对局部短路引发的早期温度升高可实现15分钟以上的提前预警，标志着锂电池“自感知”能力的一次关键飞跃。
3. 内容表述
3.1实验装置与方法
本研究提出了一套面向商业锂离子电池的微型植入式传感系统，旨在实现电池内部温度与应变信号的实时无线传输。该系统由两种薄膜传感器和一颗微型无线通信芯片组成，传感器分别用于采集温度和应变数据，芯片则负责信号调制和无线传输。温度与应变传感器厚度仅为50μm，与正极/负极极片厚度匹配，可贴附于电芯极片内部，具备良好的柔性与贴合性。通信芯片尺寸为15mm×13.5mm×3mm，并通过铝塑膜封装后具备一定密封性，整体集成后可嵌入方形与圆柱电池内部结构中，无需破坏电池封装。该系统的信号传输依托电力线通信技术，通过在极耳通路上调制微幅载波信号，实现信号跨越金属壳体的无线输出。系统采用频移键控调制并引入前向纠错算法，可在微弱信号强度（<1mV）下完成可靠通信。
图1.植入式传感系统示意图
3.2 五大优势特点
1） 经济性
植入式系统的成本控制表现出良好前景，以280Ah磷酸铁锂电芯为例，该系统的单位成本约为单电芯售价的5%左右，尤其在电网储能等大规模场景下具备可接受的成本占比。在对比已有光纤传感、XRD-CT等内部监测方案后，该系统在成本控制方面更具优势，适合商业化部署。
图2.植入式传感系统的成本分析 。(a)传感器和芯片的成本。(b)不同类型电池的成本。(c、d)植入式传感系统中温度和应变传感器在不同类型电池中的成本比例。
2 ）非侵入性
不同于需破坏壳体打孔、引线或改变电池结构的传统嵌入方案，本系统采用非侵入式植入设计，无需对壳体、电极结构或内部空间作出改动，整个植入过程完全兼容电芯卷绕与封装工艺，极大降低了系统集成对电芯结构完整性的干扰风险。
3） 结构兼容性
温度与应变传感器的几何尺寸与极耳、极片厚度相近，电气结构也能兼容当前的电芯电路路径，通信芯片与壳体连接方式贴合现有结构。整个系统在不增加额外空间的前提下，实现与方形与圆柱状电芯的结构适配，可推广性强。
图3. (a)应变传感器的尺寸。(b)集成传感器工艺的示意图。(c、d)集成温度传感器和应变传感器工艺的图片。(e、f)芯片–传感器–电池集成的图片
4） 监测范围广
相较于传统固定点监测方案，该系统支持在电芯内部多个层级灵活部署。通过在不同卷绕层嵌入多个传感点，可捕捉不同部位的热/力变化信号，实现更全面的空间覆盖。实验中，柱状电芯最多布设21层应变监测点，显示出良好的多点覆盖能力。
5） 循环稳定性强
在1000次充放电循环后，植入系统的电芯表现出与对照组基本一致的电化学性能。方形磷酸铁锂电池在0.5C倍率下循环1000次后，容量保持率仍达93.74%，与未植入版本（94.57%）基本持平，说明该系统对电芯性能影响极小，不影响长期使用可靠性。
3.3定位故障，识别早期危险演变
1）圆柱形锂离子电池中的机械失效
在圆柱形锂离子电池中，电芯内部的力学应变随卷绕层的位置不同而存在明显差异。研究团队通过在电芯不同卷层中植入应变传感器，观察到卷芯内部呈现出有规律的应变分布特征：电芯最外层因受到拉伸作用而产生正应变，最大可达约846με；而靠近中心位置的内层则受到压缩，产生负应变，最低达−545με；中间区域应变接近于零，形成一个类似“中性层”的结构。
图4. 圆柱形电池中电极断裂及应变传感器位置的示意图与X射线断层扫描图像
这一区分表明，圆柱电芯的机械失效风险在空间分布上具有一定倾向性：内层更容易因压应力集中而发生折断或裂纹扩展，而外层则更可能因为长时间的拉伸作用导致结构疲劳。这种内部的非对称性应力分布，传统的外部测量手段是无法识别的。
图5. (b)原始圆柱形电池不同层的应变演变。(c)不同绕组在100%SOC下的环向应变实验与圆柱形电池仿真结果对比。
为了进一步验证系统的定位能力，研究者在电芯特定卷绕层中预设人工缺陷，然后利用来自多层传感器的应变数据，结合神经网络模型进行失效位置的预测。结果显示，系统能够准确识别缺陷所在层数，表明该植入式方案不仅能够监测力学应变变化，还具备实际的故障定位能力。
图6. (d、e)电压和应变响应，以及原始电池与预设断裂电池之间的差异。(f)电极断裂定位的BP神经网络架构。(g)电极断裂实际位置与预测位置的对比。
2）方形锂离子电池中的热失效
相比之下，方形锂离子电池更容易受到热诱导风险的影响，尤其在出现内部短路（ISC）时，热量会迅速在局部聚集，引发电芯温度异常升高。传统的外部温度传感器由于与故障点距离远，常常难以及时响应热失控的初期信号。
图7. ISC器件及温度传感器组装于方形电池中的示意图及光学照片
在本研究中，研究团队在方形电芯内部布设多个温度传感器，通过人为激活不同面积的内部短路，观察温度变化过程。当短路面积较小时（如1 mm²），温度变化不明显，表明风险仍在可控范围内；但当短路面积增大到25 mm²时，局部温度会在4秒内快速升高超过20°C，而电芯外部温度此时几乎没有反应。
图8. 带卷绕芯的方形电池的ISC。(b)案例1：局部ISC 期间电池电压、温度的实验测量演变。(c)温度比及电极热熔断示意图的实验测量。
在更极端的模拟条件下，传感器记录到电芯内部温度在40秒内攀升至350°C，但这期间电压和外壳温度仍基本维持稳定。也就是说，仅凭传统BMS系统所依赖的外部信号，几乎无法察觉这类高风险状态，而内部传感系统则能实现15分钟以上的有效预警窗口，为控制热失控赢得宝贵时间。
图9. 带卷绕芯的方形电池的ISC。(d)案例2：剧烈热失控期间电池电压、温度的实验测量演变。(e)温度比及热扩散示意图的实验测量演变。
此外，研究引入了一个关键参数——“α值”，用于描述内部短路面积与极片总面积的比例。当α小于0.00037时，电芯多表现为热熔断，即局部短路被动断开，不会引起持续热扩散；而当α大于0.0005时，则容易触发连续的热蔓延，最终导致热失控。通过这个指标，未来可以更精准地判断电芯短路的严重程度，并及时采取降载、断电等应对策略。
图10. 带卷绕芯的方形电池的ISC。(f)不同ISC区域与电池电极面积比率（α）下的温度响应。
这一结果表明，内置式温度监测不仅实现了更精准的故障识别，更重要的是，它将锂电池安全防控从“事后响应”提升为“提前预判”，对储能和动力应用具有直接意义。
4. 结论
北京理工大学陈浩森/宋维力团队的研究突破了锂电池结构内部信号无法有效感知的技术瓶颈，构建了一套具备商业可实施性的微型低功耗无线植入式传感系统。该系统能够在不影响电池性能的前提下，实时采集并传输电池内部温度与应变信号，为热失控与结构断裂的早期诊断与精确定位提供依据。
文章链接
https://doi.org/10.1038/s41586-025-08785-7
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