昇科能源电池“脑机接口”研发取得阶段性进展

两年前,埃隆·马斯克公布了“脑机接口”的新进展:一枚硬币大小的芯片无损植入大脑,通过1024个信道连接大脑皮层与脑电信号交互,使人类以更低的成本、更便捷的方式理解意识。

锂离子电池虽然已经大规模应用,但我们对它的关键特性仍然知之甚少,一个重要原因是缺乏像“脑机接口”这类更精细的信号传感技术。锂离子电池是封闭体系电化学系统,封装后只能测量外特性:电流、端电压、表面温度、表面压力等;而很多细微变化都先从内部发生,无法测量内部信号,意味着巨大的信息屏障。

近日,由昇科能源、清华大学车辆学院电池安全实验室组成的电池传感实验室(Sensor Lab for Advanced Battery, SLAB)在电池“脑机接口”的研究中取得阶段性进展,实现了对商用10Ah软包电池内部电位、内部温度、内部压力的同步传感。

昇科能源,电池智能传感的探索者

与其他传感器不同,电池传感器应用最大的难点在于其特殊的应用场景(电池内部)带来的兼容性要求。比如简单的温度信号,在电池外部和电池内部测量的难度完全是两个量级。再比如,内部电位测量和端电压测量,同时面临着稳定性、精度、阻隔效应、封装等多重挑战,每个挑战都没有成熟的解决方案。

进一步细分,兼容性体现在以下4个维度:

1)尺寸兼容性:出于对能量密度的要求,电池封装非常紧凑,留给传感器的空间非常有限,因此传感器的传感模块和信号处理模块在尺度上要尽可能小。

2)材料兼容性:尽可能选用与锂电池自身电化学体系兼容的材料作为敏感材料,避免腐蚀,也避免破坏锂电池自身的电化学平衡。

3)功能兼容性:传感器不能影响电池充放电时的离子迁移,不使传感器反而变为电池的“缺陷点”。

4)工艺兼容性:传感器的植入工艺需要和电池的生产/封装工艺匹配,在卷芯级别是叠片/卷绕兼容性,在单体级是圆柱/方壳/软包。

为了突破兼容性难题,研发团队经历了长达6年的探索和技术攻关。早期的传感方案主要是一维探针,虽然可以满足um尺度要求,但始终无法克服材料兼容性问题,寿命一般不足300h。研发团队另辟蹊径,创造性地提出了以多孔二维薄膜作为传感敏感材料基底的技术路线,一举解决了几乎所有兼容性问题。

薄膜材料厚度可以降低至12um以内,不占用电池内部额外空间,实现了尺寸兼容。敏感材料选择与电池正负极材料和电解液同时兼容的类型,并通过磁控溅射与基底结合,不与电池自身发生副反应,大幅提升了稳定性,实现了材料兼容。薄膜的自身具有nm级孔隙,置入正负极之间时不影响电池的离子电导,实现了功能兼容。植入过程可融入卷芯生产工序,且可顺利通过后续热压、注液等工序,并通过金属导线将信号传输至信号处理模块,处理模块可与端盖整合,实现了工艺兼容性。

经过长时间的验证测试,团队研发的电位传感器,循环寿命可达到3500h以上,电位波动小于5mV,已经能够满足电池在研发环节的内部信号采集需求。

在新型电位传感器开发的基础上,研发团队在多维信号融合感知技术上持续探索,实现了温度、压力、电位信号集成式传感器,可进行三种电池内部信号的同步测量,并在10Ah的商用软包电池中进行了持续测试。测试信号通过团队自主研发的微型信号处理模块采集、处理和传输。微型信号处理模块尺寸为30x30x12mm,比指甲盖稍大,工作功耗为40mW,工作时可以满足8h续航。采样频率最高可达100Hz,无线信号传输波特率可达115200Bd,温度测试范围为-30℃~80℃,精度为0.1℃;压力最高测试压强为0.6MPa,零漂<3%;电位采集输入电流<1pA,采集精度满足±1%FS。这也是首个专门为电池传感器设计的微信号采集模块。

目前,我们研发的电池传感器已经可以用于电池研发测试阶段的信号测量。下一步,研发的重点是进一步提升信号测试精度和稳定性,并将微信号模块的特征尺寸进一步缩小至20mm以内。

电池传感器带来智能电池革命

事实上,探测电池内部状态,解析电化学反应机理,一直是电池研究的重点,开发电池内部传感器,对于电池科研、生产、应用等多领域具有重要意义。目前,电池内部传感器的研发还处在初级阶段,高精度、长寿命的敏感材料还在进一步探索中,耐受特性及“阻隔效应”也仍在进一步验证。

虽然如此,我们仍坚信电池传感器能够带来根本性变革。这一变革体现在两个维度:

1)从根本上改变传统的“try-test”型电池研发方法,形成以“传感器+数据+AI”驱动的全新电池研发范式,大幅度加速研发速度。传统的新电池产品研发,最快也需要24月以上,制成多个平行样,经历至少12个月的持续老化测试,以评估寿命、安全性等关键指标是否符合需求。

能否实现更快速的评估?只需少量的实验(如前100个循环)采集到的信号+AI模型既可预测寿命末期(EOL)的关键指标值,将研发速率提升10倍以上。毫无疑问,更丰富的内部信号有助于我们了解更多电池的奥秘,从而构建维度更完善的基础数据集,提高AI预测的准确性。这种新的电池研发范式将帮助电池技术加速迭代。

2)加速推进下一代智能电池管理系统(sBMS)的到来。目前广泛使用的电池管理系统(BMS)只能采集有限的信号:端电压、电流和温度。而前装了电池传感器的智能电池,大幅度扩展了电池管理系统可测信号的维度,如内部电位、内部温度、内部压力甚至内部气体等,从而将电池管理系统能力提升至少一个代际。

例如,目前最容易导致电池热失控也最让人头疼的负极析锂问题将被彻底解决。eBMS通过测量充电时负极电位信号,实时控制充电电流大小,使电池始终保持在不析锂的安全边界内;电池衰减后,负极电位仍然能够精准地指示不析锂边界。此外,电池热失控超早期预警成为可能。通过检测电池内气体成分的变化,可以探测电池发生的微量副反应,在其还远远未达到热失控状态前发现问题。

研发团队认为,智能传感器将在电池研发和测试领域率先实现商业化应用。目前,团队针对智能传感器自身特性和电池植入还在进行严苛的第三方测试和评估,建立针对电池传感器应用的第三方测试规范和标准。

未来,集成了多维信号的智能传感器将引领电池步入智能电池时代,以后的BMS不仅在SOX估计、安全预警等功能上有明显提升,同时可根据电池使用工况主动输出“养身”管理方案,最大化发挥每一只锂电池的效能,延长电池的使用寿命,彻底解决电池安全问题。

在北京市科委的大力支持下,团队正在与卫蓝新能源展开合作,将电池传感器率先应用在300Wh/kg的固态电池研发过程中。昇科能源欢迎更多电池企业参与到智能传感器的联合应中来,共同推动智能电池技术的进步。

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