研究显示，对高储能密度储能器件的需求不断增长，推动了锂离子电池（LIBs）的设计尺寸越来越大，这对电池运行条件的准确管理提出了越来越高的要求。目前，先进的电池管理系统（BMS）发展迅速，依赖于复杂的算法和新的硬件，通过植入传感器来获取电池内部的实时状态。同时，对工作电池内部信息的获取将大大提高状态估计的准确性，进一步提高管理性能。植入传感器将直接接触电池内部环境，获得相应的时空分辨率水平的参数，以实现较高的状态估计精度。研究表明，植入的传感器将赋予“智能电池”功能，并为未来的智能BMS做出贡献。
在此，清华大学欧阳明高院士，张强教授，韩雪冰助理研究员和赵辰孜助理研究员等人综述了基于多维传感器的智能电池的进展，探索了新兴的电池级柔性传感器，柔性电子技术，以及基于多个传感器的电池管理策略，讨论了其设计原理、集成方法和制造中的挑战。同时，特别关注智能电池植入式传感器的重要作用、重大挑战和未来的发展方向，这些见解将有助于促进智能电池在学术研究和工业中的应用。
相关研究成果以“Smart Batteries Enabled by Implanted Flexible Sensors”为题发表在《Energy & Environmental Science》上。
LIBs不仅作为加速向可持续发展的关键因素，也提供了清洁和可再生能源，其在实现碳中和目标方面发挥了建设性作用，但整个生命周期的管理正成为一个不可避免的问题。一个完整的电池价值链，包括应用、重新利用和退役，推动更环保的使用电池，这反过来需要对电池状态（荷电状态（SOC）、健康状态、电源状态（SOP）、能源状态（SOE））进行可靠地监测/感知。
然而，目前的电池状态估计的准确性是不够的。一些滥用情况，如过充、过放电、过热、短路、穿刺等，会导致电池热失控，降低电池利用率。此外，SOC、SOH、SOP和SOE难以准确估计，从而导致电池性能产生不可逆的退化。
为了准确检测电池内部情况，通过将最新的传感器将被植入电池中，监测其化学/机械/热/电状态，并获得内部信息参数。其中，最有效的策略是将传感器作为电池的一个组成部分，而不是一个附加组件。例如，传感器可以被植入电极、隔膜和其他组件中，以检测电池内多个参数。
目前，对内部传感器的研究仍处于起步阶段，如何正确植入，如何准确监测，都是需要解决的问题。简而言之，多维智能传感器启用的电池将带来“智能电池时代”，构建更复杂的基础数据集，提高人工智能预测的准确性，加速电池技术的迭代（图2）。
目前监测电池状态信息的方法已用于以电池为电源的设施，但仍存在以下问题：
1）可用于监测电池的信息的类型和数量有限，除了常用的参数，如电压、电流和内电阻外，通常可用于评估电池安全性能的唯一指标是温度。然而，当电池发生热失控时，它通常会伴随着温度的升高，但也会产生大量的气体。因此，监测压力指标也是提高电池监测系统可靠性的有效手段；
2）在目前的监测系统中，有限数量的传感器不足以监测电池状态信息，需要植入更多的传感器来获得更多的电池物理和化学参数信息，以提高监测系统的可靠性；
3）传感器不位于电池的关键位置，电流传感器的分配方法需要改进；
4）由于信息量有限，电池管理算法的准确性无法满足要求。SOC的估计主要是基于电流信号和基于电压信号的反馈闭环。因此，由于误差累积效应和采样噪声，降低了估计精度。
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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