研究顯示，對高儲能密度儲能器件的需求不斷增長，推動了鋰離子電池（LIBs）的設計尺寸越來越大，這對電池運行條件的準確管理提出了越來越高的要求。目前，先進的電池管理系統（BMS）發展迅速，依賴于復雜的算法和新的硬件，通過植入傳感器來獲取電池內部的實時狀態。同時，對工作電池內部信息的獲取將大大提高狀態估計的準確性，進一步提高管理性能。植入傳感器將直接接觸電池內部環境，獲得相應的時空分辨率水平的參數，以實現較高的狀態估計精度。研究表明，植入的傳感器將賦予“智能電池”功能，并為未來的智能BMS做出貢獻。
在此，清華大學歐陽明高院士，張強教授，韓雪冰助理研究員和趙辰孜助理研究員等人綜述了基于多維傳感器的智能電池的進展，探索了新興的電池級柔性傳感器，柔性電子技術，以及基于多個傳感器的電池管理策略，討論了其設計原理、集成方法和制造中的挑戰。同時，特別關注智能電池植入式傳感器的重要作用、重大挑戰和未來的發展方向，這些見解將有助于促進智能電池在學術研究和工業中的應用。
相關研究成果以“Smart Batteries Enabled by Implanted Flexible Sensors”為題發表在《Energy & Environmental Science》上。
LIBs不僅作為加速向可持續發展的關鍵因素，也提供了清潔和可再生能源，其在實現碳中和目標方面發揮了建設性作用，但整個生命周期的管理正成為一個不可避免的問題。一個完整的電池價值鏈，包括應用、重新利用和退役，推動更環保的使用電池，這反過來需要對電池狀態（荷電狀態（SOC）、健康狀態、電源狀態（SOP）、能源狀態（SOE））進行可靠地監測/感知。
然而，目前的電池狀態估計的準確性是不夠的。一些濫用情況，如過充、過放電、過熱、短路、穿刺等，會導致電池熱失控，降低電池利用率。此外，SOC、SOH、SOP和SOE難以準確估計，從而導致電池性能產生不可逆的退化。
為了準確檢測電池內部情況，通過將最新的傳感器將被植入電池中，監測其化學/機械/熱/電狀態，并獲得內部信息參數。其中，最有效的策略是將傳感器作為電池的一個組成部分，而不是一個附加組件。例如，傳感器可以被植入電極、隔膜和其他組件中，以檢測電池內多個參數。
目前，對內部傳感器的研究仍處于起步階段，如何正確植入，如何準確監測，都是需要解決的問題。簡而言之，多維智能傳感器啟用的電池將帶來“智能電池時代”，構建更復雜的基礎數據集，提高人工智能預測的準確性，加速電池技術的迭代（圖2）。
目前監測電池狀態信息的方法已用于以電池為電源的設施，但仍存在以下問題：
1）可用于監測電池的信息的類型和數量有限，除了常用的參數，如電壓、電流和內電阻外，通常可用于評估電池安全性能的唯一指標是溫度。然而，當電池發生熱失控時，它通常會伴隨著溫度的升高，但也會產生大量的氣體。因此，監測壓力指標也是提高電池監測系統可靠性的有效手段；
2）在目前的監測系統中，有限數量的傳感器不足以監測電池狀態信息，需要植入更多的傳感器來獲得更多的電池物理和化學參數信息，以提高監測系統的可靠性；
3）傳感器不位于電池的關鍵位置，電流傳感器的分配方法需要改進；
4）由于信息量有限，電池管理算法的準確性無法滿足要求。SOC的估計主要是基于電流信號和基于電壓信號的反饋閉環。因此，由于誤差累積效應和采樣噪聲，降低了估計精度。
Yao Lu, Xiaodan Wang, Shuoyuan Mao, Depeng Wang, Daoming Sun, Yukun Sun, Anyu Su, Chenzi Zhao*, Xuebing Han*, Kuijie Li, Xuning Feng, Xiang Liu, Xiangdong Kong, Languang Lu, Zhengyu Chu, Qiang Zhang*, Minggao Ouyang*, Smart Batteries Enabled by Implanted Flexible Sensors, Energy & Environmental Science, (2023), https://doi.org/10.1039/D3EE00695F
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