硬核！他，浙大校友，手握电池快充技术Nature，发表最新Nature子刊！

成果简介

电化学电池——对车辆电气化和可再生能源储存至关重要——具有始终存在的反应界面，需要在功率、能量、寿命和安全性之间进行妥协。美国宾夕法尼亚州立大学王朝阳团队通过将超薄箔加热器和微型开关集成到电池单元的分层结构中，提出了一种芯片内电池，以利用电池内致动和热生开关与热吸收电池材料之间的相互热管理。其结果是一个两端口的、即插即用的电池，无需外部高功率开关的笨重散热器或重型接线。本文展示了大大简化的芯片内结构的快速自加热（约60°C/min）、低能耗（0.138%/°C的电池能量）和出色的耐久性（>2000个循环）。这里揭示的电池电子化平台为在储能单元内包括集成电路芯片打开了大门，用于感应、控制、致动和无线通信，从而可以内部调节电化学储能设备的性能、寿命和安全性。相关文章以“Battery electronification: intracell actuation and thermal management”为题发表在Nature Communications上。

研究背景

图1 两端口内部致动自加热电池（iSHB）结构：概念和示意图。

亚历山德罗·伏打于1800年宣布了第一个电池，即伏打电堆，并揭示了一种至今仍在使用的电池结构——一个阳极（负极）和一个阴极（正极）由一种导电盐（电解质）分隔，通常存在于一个多孔隔离层中，隔离层也作为两个电极之间的物理屏障（以下简称“伏打电池”，图1a）。随后电池的演变几乎完全依赖于材料的修改，即电极/电解质化学的变化，而伏打电池的结构在根本上没有改变。

在伏打范式下，电池在运行过程中是封闭系统，没有外部刺激。因此，最先进的锂离子电池等在室温（RT；例如15–35°C）附近平衡功率性能和老化，即无论电池在使用还是静止状态，都保持高功率能力。同时，主要负责造成降解的活性材料与电解质之间的界面是永远反应的（图1a）。

众所周知，电池性能和安全性在很大程度上取决于温度。例如，锂离子电池（LIB）的功率在−50到80°C范围内变化了三个数量级（图1b，补充图1）。电池降解和安全性也显示出强烈的温度依赖性，通常在操作温度下存在最低降解率，而安全性需要对滥用和高温做出稳定响应。这意味着如果温度可以按需改变，电池性能可以调节以满足广泛的应用需求，同时最大限度地减少降解并提高安全性。然而，目前电池系统中大格式电池的外部加热和冷却速度慢（约1°C/min），能源效率低，受限于大电池中的传热差以及随之而来的温度不均匀性（图1a）。

最近，一种称为“自加热电池”（SHB）的新型电池出现了，包含一个超薄的内部热激励器，以提供安全和快速的电池“激活”（图1a）。如图1c（左）所示，SHB的传统结构已保证在极冷环境下（例如−50°C）恢复约50%的标称功率和能量（例如288Wh/kg的最先进LIBs），而不是没有性能。使用相同结构进行预热还使得能量密集的高镍三元阴极基LIBs和具有成本效益、高安全性的磷酸铁锂（LFP）基LIBs的10分钟快速充电变得安全和健康。类似的结构还用于实现通常缓慢但能量密集的全固态电池在室温下具有聚合物固态电解质的实际性能。快速加热的出现还激发了一种新的电池材料开发范式，偏向高温稳定性而不是RT速率性能。温度因此成为一种工具而不是敌人，允许电池在使用前快速预热，并在其他情况下安全地保持最小降解。通过这种方式，电池操作类似于其内燃机对手，燃料和能量转换引擎/涡轮机的隔离限制了系统反应性并确保了安全性。然后，只有在需要时，能量才会通过火花释放。对于电池，这种火花可以是自激活的热能——其关键在于内部致动器。

图文导读

相互热管理

图2 晶体管到电池的冷却效果。

图1c和补充图2提供了iSHB结构的示意图和电气细节。25μm厚的镍箔加热元件与安装在薄电路板上的FET串联。加热片具有层压结构，如补充图3a所示，包含用于热扩散、电气绝缘和平面几何的各种层。一个贴合的化学惰性对二甲苯-C涂层隔离了FET和辅助电路，避免化学攻击电解质（详见方法和补充图4）。加热片插入电极堆叠中，位于两个阳极之间，加热片的两个端子分别焊接到电池内部的正负电流收集器上。一小片镍箔引线从电池袋外部引出，以提供FET的电压控制。该结构消除了笨重的ACT终端和外部接线的需要，大大简化了现有系统的集成，无需重大改动。要启动加热，通过施加比FET中激活导通通道所需的阈值电压（Vth）更高的栅极-源极电压（VGS）来打开FET。否则，iSHB作为传统的电化学储能单元运行。

在本研究中，我们使用常见的LIB电极材料和传统电解质制造了两种电池类型：（1）由两个1.6Ah容量的半厚度袋式电池组成的标准两端电池，以及（2）3.2Ah容量的iSHBs（详见方法、补充表1和补充表2）。半厚度电池用于代表传统的两端电池，也组装成“模拟iSHB”配置，其中集成了FET的加热元件夹在双电池之间，以便在“离位”和“就地”实验中方便温度传感。补充图3b、c、d、e中展示了模拟iSHB和完全集成的iSHB配置。图2a、b显示了在RT和−30°C环境中激活期间，FET/PCB位置的顶部和底部加热片的温度演变。在离位测试中，将没有电池存在的加热片施加在就地测试中的电压演变，以施加相当的加热功率（补充图5）。从RT开始，PCB在没有散热到电池的情况下，在就地激活所需时间的一半内达到约115°C，而在散热到电池材料时保持温度在电池表面平均温度的11°C以内。注意，FET结温在离位和就地测试期间预计保持在PCB温度的0.5°C以内，因此很好地代表了FET温度（补充图6）。从−30°C加热时也观察到显著的冷却效果，并通过估算FET与散热器之间的有效热阻来量化，即，对于离位和就地的情况，分别是环境空气和电池（图2c）。FET与电池材料之间的紧密接触在热阻上减少了一个数量级（图2c）。

快速和高效的热调节

图3 iSHB加热性能。

在使用模拟iSHB进行离位和就地实验后，构建了最终的iSHB电池进行广泛的自加热特性研究。自加热的性能增强（即成功加热后的LIB性能优势）已在其他地方进行了彻底探讨。因此，我们在本工作中对自加热的性能评估限于在各种环境温度下的自加热以及耐久性/寿命。图3总结了iSHB的自加热性能，其中显示了−40°C环境的示例情况下的电压、电流和温度演变。其他自加热情况下的数据在−50°C、−30°C、−20°C和室温环境下提供（补充图15）。类似于三端传统SHB结构，iSHB电压在加热的初始阶段下降，并随着电池温度的迅速升高而恢复（图3a）；因此，电池电阻显著减少，功率能力相应地急剧上升。补充图1中的DCR数据拟合用于估算加热对电池电阻和功率性能的影响。对于−50、−40、−30和−20°C的环境温度，电池在所有情况下均加热至约10°C。

这对应于电池电阻的98%、93%、85%和75%的减少，分别基于加热前后DCR的最终DCR与初始DCR的比率，热调节从这些低温环境中增强了42倍、14倍、7倍和4倍的功率性能。在加热过程中，通过利用加热器电阻随温度线性变化来测量的平均加热器温度在所有情况下均在电池表面平均温度的20°C以内（图3b和补充图15b、d、f、h）。请注意，通过优化加热结构设计，可以通过减少镍到电池的热阻来实现较低的通平面温度不均匀性。通平面温度不对称也在iSHB中观察到，这是通过顶部和底部电池表面温度的差异测量的，在所有情况下最大为10°C（图3b）。通过优化加热器设计以实现加热器与电池材料之间的对称热阻，这种效果也将大大减少或消除，如模拟的最佳情况所示。

稳定的长期性能

图4 iSHB稳健性：热循环和电化学循环。

iSHB的稳健性也很重要，因为最先进的电池寿命可达几十年，需要数千次加热事件。因此，对iSHB进行了1000次在RT环境下30°C和约55°C之间的热循环，遵循图4a所示的常规。尽管进行了激烈的热循环，但在这1000次热激活过程中仅损失了7%的容量。此外，由于电池阻抗的缓慢和轻微增加，加热时间仅增加了7%（补充图16）。在实际热激活快速充电周期中，由于激活和热循环导致的7%疲劳将被添加到电池的电化学降解中。假设总降解不超过20%，并基于每次热激活使200-300英里巡航范围快速充电的估算，1000次热激活相当于20-30万英里的寿命。在完成1000次热激活后，电池被拆卸，邻近加热元件的两个阳极的样本从两个区域中提取：靠近FET和靠近镍箔。石墨表面的X射线光电子光谱显示，四个样本中表面化学没有显著差异（补充图17）。SEM显微照片也表明微观结构没有明显的比例变化（补充图18）。考虑到电解液存在的腐蚀潜力，FET和保护性对二甲苯涂层的健康也对iSHB的耐久性至关重要。补充图19展示了FET表面的光学显微照片，其中没有对二甲苯、没有电解液暴露以及经过1000次加热循环后的FET。几乎相同的涂层表面对比以及整个循环期间的成功和稳定操作表明，电化学电池内电子器件的稳定性定性证明。参见文献7、12中的低温和室温之间的热循环报告。

总结展望

本文展示的iSHB提供了一条路径，通过重新构想过去约220年的传统伏打结构，实现电池性能在热、时间、空间和重力方面的高效转化。这种方法被称为“电池电子化”，通常是指将电子组件集成到电池单元内部，形成一个主动可调的装置。广义上来说，打破被动的、封闭系统的电池架构提供了通过扩展传感和致动能力，从而实现化学无关的电池性能提升的机会。类似的变革发生在内燃机的演变中，现在内燃机利用数十或数百个传感器和致动器来监控和改变发动机状态，可以根据需求调节性能。

文献信息

Longchamps, R. S., Ge, S., Trdinich, Z. J., Liao, J., & Wang, C.-Y. (2024). Battery electronification: Intracell actuation and thermal management. Nature Communications, 15(5373). https://doi.org/10.1038/s41467-024-49389-5

原创文章，作者：计算搬砖工程师，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2024/07/08/c181f37b24/

硬核！他，浙大校友，手握电池快充技术Nature，发表最新Nature子刊！

相关推荐