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作者及发表信息

本研究由Yu Chang（中国科学技术大学精密机械与精密仪器系）、Yu Cheng（中国科学院深圳先进技术研究院仿生传感与智能中心）、Rui Jia（中国科学院深圳先进技术研究院先进储能技术研究中心）等来自中国科学技术大学、中国科学院深圳先进技术研究院、丹麦奥胡斯大学等机构的学者共同完成，发表于National Science Review期刊（2025年4月25日在线发表，DOI: 10.1093/nsr/nwaf151）。

学术背景

研究领域：本研究属于锂离子电池（Lithium-ion Batteries, LIBs）的原位监测技术领域，聚焦于开发一种新型的离子电子学传感（iontronic sensing）装置，用于实时监测电池内部的物理化学事件。

研究动机：
1. 问题背景：锂离子电池在快充过程中易出现锂枝晶（Li dendrites）生长、固体电解质界面（Solid Electrolyte Interphase, SEI）增厚等问题，导致容量衰减和安全隐患。传统的光学监测手段（如光纤布拉格光栅传感器，FBG）因材料脆性、系统复杂性和兼容性不足难以长期稳定工作。
2. 技术瓶颈：现有柔性传感器在腐蚀性电解液中稳定性不足（通常仅能维持数小时），且封装材料易被电解液渗透。
3. 目标：开发一种无需封装、与电池材料兼容的原位传感装置，实现长期稳定的压力监测，以评估电池老化状态并预警安全隐患。

研究流程与方法

1. 传感装置设计与制备

• 核心机制：基于超级电容电极/电解质界面的离子电子学压力传感原理，利用电池现有材料（如聚丙烯隔膜、金电极）构建传感单元。
  
• 关键组件：
  
  • 压力传感单元：环形叉指电极覆盖微结构聚丙烯（PP）薄膜，压力通过PP微结构变形改变电极/电解质接触面积，从而调节电容输出。
    
  • 参考单元：直接暴露于电解质的电极，用于实时监测电解质离子电导率（Unit Area Capacitance, UAC），补偿电解液性质变化对压力信号的干扰。
    
• 制备工艺：
  
  • 微结构PP薄膜：通过热压法在粗糙喷砂金属板上成型（150°C，10 MPa，40分钟），激光切割出中心参考单元暴露区域（直径1.7 mm）。
    
  • 柔性电极：采用传统蚀刻技术制备多层结构（PI基底/铜电路/镍镀层/金镀层），金层直接接触电解液以防止腐蚀。
    

2. 性能验证实验

• 机械性能测试：
  
  • 灵敏度达0.1 nF/kPa（<200 kPa），线性度>0.99，可检测1 pF的背景噪声。
    
  • 在1300 kPa高压下仍保持稳定，塑性变形率<0.5%。
    
• 长期稳定性测试：
  
  • 对比四种弹性体（PDMS、TPU、EVA、PP）在电解液中的稳定性，仅PP因结晶结构抗溶剂渗透，30天后杨氏模量无变化。
    
  • UIS装置在电解液中连续工作1个月（400次充放电循环）无性能衰减，而传统封装柔性传感器因电解液渗透导致功能失效（如石墨/聚合物复合电阻传感器30天后信号衰减99%）。
    

3. 锂离子电池集成与监测

• 实验设置：
  
  • 将UIS装置植入软包电池（LiFePO₄正极/石墨负极），置于定制夹具中与外部负载细胞同步监测压力。
    
  • 充电速率测试范围：0.5 C至3 C，加速老化实验（400次循环）。
    
• 数据分析：
  
  • 通过压力变化率（dP/dQ）识别锂枝晶生长（如3 C充电时dP/dQ超过阈值）。
    
  • 结合SEM验证阳极表面SEI层和锂枝晶的形貌变化。
    

主要结果

1. 压力监测准确性：UIS装置与外部负载细胞的压力曲线高度吻合（图3f），可捕捉石墨阳极插层（LiC₆→LiC₁₂→LiC₁₈）导致的非线性体积变化（图3g）。
   
2. 快充预警：3 C充电时压力振幅达32.5 kPa（0.5 C时为28.5 kPa），且压力曲线不对称性表明不可逆锂沉积（图4c）。SEM显示阳极表面出现苔藓状锂枝晶（图4g）。
   
3. 老化分析：400次循环后，电池容量衰减至30%，压力波动振幅以-0.018 kPa/cycle的速率下降，反映活性锂的持续消耗（图5c）。
   

结论与价值

科学价值：
- 提出首个基于电池自身材料的原位离子电子学传感机制，突破了传统传感器在腐蚀环境中的稳定性瓶颈。
- 揭示了压力信号与锂枝晶生长、SEI增厚的定量关系，为电池健康状态（State of Health, SOH）评估提供了新指标。

应用价值：
- 无需额外封装，可直接集成至商用电池生产线，成本低且兼容现有工艺。
- 为电动汽车快充安全预警和储能电站寿命管理提供了可靠工具。

研究亮点

1. 材料创新：利用电池现有材料（PP隔膜、金电极）构建传感界面，无需引入不稳定物质（如水凝胶）。
   
2. 长期稳定性：在电解液中连续工作1个月无衰减，覆盖电池全生命周期。
   
3. 多参数补偿：通过参考单元实时校正电解液电导率变化，提升压力监测准确性。
   

其他价值

• 该技术可扩展至其他电池体系（如NCM三元电池，图S19），具有普适性。
  
• 结合深度学习算法，压力分布图谱可进一步优化SOH预测模型（图S11）。
  

（注：文中所有专业术语首次出现时均标注英文原词，如“离子电子学（iontronic）”“固体电解质界面（SEI）”等。）