第一作者: Guo Xiaoniu, Guo Shuai
通讯作者: 陈卫华
通讯单位: 郑州大学
锂离子/钠离子电池是最先进的储能器件，但电极材料的结构演变、电解质分解、锂/钠枝晶的生长以及电池内部热量和气体的产生都是严重的安全问题。因此，有必要实时监控这些器件内部的参数变化。在此，介绍并讨论了基于热、气体和应变检测的各种先进智能检测技术的最新重要进展。电化学参数和这些先进的智能传感技术的完美结合使得能够在电池运行期间监测动态化学和热演化，而不会产生任何影响，这对于在储能设备中取得有意义的进步至关重要。这项工作提供了先进的诊断工具，以指导高安全电池的合理设计。
图1. 影响因素、检测方法和传感器之间的思维导图。
图2. 操作性红外纤维蒸发波光谱观察到18650钠离子电池中NaPF6-EC/DMC溶剂的分解。
图3. 在线电化学质谱法检测电解质分解产生的气体演变。
图5. 原位光学显微镜和质谱分析法合作，实现了电池安全的早期预警。
图6. 光纤布拉格光栅传感器检测电极界面的应力变化。
图7. 纤维布拉格光栅传感器的原理以及电化学参数和应变信号之间的关系。
图8. 扫描式超声波仪器的原理和由此产生的界面演变过程。
图9. 通过超声成像对固态电解质界面行为进行表征。
图10. 固体电池界面相层的Operando X射线成像。
图11. 使用压力传感器来检测不同压力对Li10SnP2S12和Li6PS5Cl相界面的影响。
图12. 用加速率量热法分析Ah级软包NMC811|Gr-SiO电池的安全性能。
图13. 在锂离子电池和钠离子电池中使用传感设备的总结和挑战。
从LIB和SIB的不同成分水平（包括电极材料的结构变化、电解质分解和Li枝晶的生长等）证明了可能导致电池安全问题的因素，与LIB和SIB的安全相关的参数可以用作传感器的响应参数和电池的内部信息之间的桥梁。此外，通过解耦传感器的多个参数，进一步揭示了材料的结构演变以及LIB和SIB内部发生的化学反应。同时，总结了近年来报道的一些用于检测安全相关参数的智能设备，包括气体的演化和热量的积累等，以为高安全LIB和SIB的设计提供一些见解。然而，智能传感器设备在储能领域的应用还不够成熟。尽管可以检测温度和压力的传感器已应用于LIB和SIB，但它们仍处于起步阶段，相关研究应进一步开发。同时，可以检测水分/湿度、气体和其他物理参数的传感器也有望进一步应用于LIB和SIB领域，从而可以很好地监测不同环境中不同电池系统和电池的内部信息，并利用新型监测技术的力量为我们带来更多新信息。因此，从以下方面提出了促进其进一步应用和发展的建议和前景，并在图13中进行了总结：
（1） 由于核心部件短缺和技术垄断，精密传感器的成本仍然很高。对于LIB和SIB中的应用，需要通过摆脱外国进口的垄断来降低传感设备的价格。实现上述成果的措施主要包括开采原材料以及开发半导体和芯片技术。
（2） 含有有机电解质的LIB和SIB内部独特的电化学腐蚀环境使现有传感器容易受到设备结构故障或包装材料腐蚀等的影响，无法满足传感器的长寿命要求。因此，针对特殊环境，开发具有耐化学性、耐电性和耐腐蚀性的传感器尤为重要。
（3） LIB和SIB的内部空间狭窄是由阴极材料、阳极材料、集电器和隔板的紧密排列造成的，因此很难在电池内部植入多个大体积传感器。另一方面，向电池主体添加额外的检测设备无疑会导致电池能量密度的损失。因此，需要更小和更轻的检测设备。
（4） 纽扣LIB和SIB外壳的磁屏蔽效应以及内部电场的干扰对输出信号的稳定性和准确性有很大影响，其次是信号的准确性以及与电化学信号结合时信号的精确去耦。因此，为了实现信号输出的稳定性和准确性，应进一步开发具有更高灵敏度的传感设备。
（5） 在SIB的运行过程中，材料结构和许多内部参数一直在变化。分离器作为唯一具有电化学稳定性的部件，与传感设备的放置相结合是一个值得研究的方向。
（6） 由于传感器的灵敏度和电池内部参数的多样性，模拟参数变化对传感器信号输出的影响并建立数学和物理模型非常重要，从而分析电池运行过程中电化学反应、结构应力、流体和热传递的相互作用机理，探索其演化规律。最后，获取数据对指导高安全电池的设计和生产、减少工作量和提高工作效率，从而实现高通量参数监测和成本降低具有重要意义。
（7） 多种智能监控技术的结合，就像人类大脑对信息的综合处理过程。为了了解不同级别的信息，有必要使用不同的传感器同时相互补充，以监测电池内部的各种变化信息。例如，如果可以检测温度、压力和气体成分的传感器同时放置在电池上，则可以识别产生大量气体的温度和压力。然后，它可以更好地警告电池状态，从而有效避免一些电池事故。此外，当设计高安全电池时，可以选择电池操作的最佳条件，以最小化气体的产生并提高电池安全性。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/aenm.202203903
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