傳感器陣列可監(jiān)測優(yōu)化電池性能

德國弗勞恩霍夫硅酸鹽研究所成功使用不同的傳感器來監(jiān)控電池的內(nèi)部狀態(tài)。借助這些數(shù)據(jù)，研究人員改進(jìn)了電池管理系統(tǒng)，優(yōu)化了充電和放電過程以及電池模塊中單個電池的負(fù)載，從而顯著加快充電速度，并延長了電池的使用壽命。

頻繁的充放電和老化過程會損害電池的性能，縮短其使用壽命。深入研究這一過程，對提高電池性能和延長使用壽命意義重大。最近，弗勞恩霍夫硅酸鹽研究所的科學(xué)家與合作伙伴一起，使用聲學(xué)、機械和熱傳感器，以及電化學(xué)阻抗譜來監(jiān)控和測量電池。其中，超聲波傳感器發(fā)出的脈沖可以穿過不同的電池層，產(chǎn)生電池單元的聲波圖。如果電池在充電過程中膨脹或電極出現(xiàn)缺陷，就會影響信號的傳播。壓敏傳感器可以記錄某些組件在充放電期間如何改變其體積。熱傳感器則用來測量溫度變化。電化學(xué)阻抗譜用于分析電極過程動力學(xué)、雙電層和擴散等。

所有傳感器數(shù)據(jù)都傳輸?shù)诫姵毓芾硐到y(tǒng)并進(jìn)行評估。借助這些數(shù)據(jù)，并將真實數(shù)據(jù)與電池數(shù)據(jù)模型進(jìn)行比較，研究人員能夠?qū)φ鎸嶋姵貭顩r進(jìn)行全面分析，并在電池進(jìn)行放電和充電時更加優(yōu)化地控制電流。一方面，可以獲得盡可能大的功率；另一方面，溫和的過程可以使得相關(guān)的功能層(電池的陽極、陰極等)不會受到過大的壓力，這樣可以減少約20%的充電時間，延長電池的壽命。

通過監(jiān)控電池并在運行期間主動控制電流，看似簡單的能量儲存器就可以變成一個智能電池，這對安裝了數(shù)百甚至上千個獨立電池的電動汽車電池組而言是非常值得的。

此外，研究人員開發(fā)的多功能傳感器陣列還可以更好地了解電池中復(fù)雜的電化學(xué)過程，并相應(yīng)地調(diào)整電池管理。使用過程中的機械應(yīng)力和自然老化過程會在電池敏感的內(nèi)部留下痕跡。特別是石墨層破裂或電極產(chǎn)生枝晶等現(xiàn)象。它們不僅會削弱性能，在極端情況下，還會在電池中產(chǎn)生短路，從而導(dǎo)致電池起火。未來，該技術(shù)不僅會覆蓋電池產(chǎn)品的整個生命周期，還將被用于各種類型的電池，如鋰離子電池、固態(tài)電池或鋰硫電池等。