《Energy Storage Materials》：Distributed Force Field Heterogeneity for Early Sensing and Hierarchical Warning of Battery Thermal Runaway
编辑推荐：
针对锂离子电池热失控早期预警技术中的信号平均效应瓶颈问题，本研究提出基于分布式压力传感的微宏观双层预警策略。通过52Ah LFP/石墨电池模块实验，揭示多物理场耦合机制，成功提取相关距离、PCA重构误差和FFT能量三个关键特征，验证了该策略可显著延长预警时间，分别达到4分钟和10分钟。
贾先义|朱江功|陈东海|于超|蔡吉祥|辛林月|王晓阳|叶红|徐文涛|戴海峰|魏学哲
同济大学清洁能源汽车工程中心，上海，201804，中国
摘要
电池模块中信号的“平均效应”仍然是早期检测热失控（TR）的一个重要瓶颈。为了解决这个问题，本研究提出了一种基于原位分布式压力传感的微-宏观双层级联预警策略。使用52Ah LiFePO4/石墨（LFP）模块（1P4S）作为测试平台，研究了过充和过热引起的TR过程中的多物理场耦合机制。实验结果表明，与传统的热信号、电信号和集总力信号相比，分布式力信号对局部变形具有更高的敏感性。通过构建一个综合评估系统并利用基于自动PCA的评分算法，成功提取了三个稳健的预兆特征——相关距离、PCA重建误差和FFT能量。验证实验表明，这种多层次策略显著延长了预警窗口，针对总力信号的最大预警时间为4分钟，针对表面温度监测的最大预警时间为10分钟。这项工作为基于机械信号的安全监控提供了理论和方法论基础，并为减轻电池模块保护中的信号延迟和掩盖问题提供了一种有前景的方法。
引言
锂离子电池（LIBs），特别是基于LiFePO4/石墨（LFP）化学成分的电池，由于其高热稳定性和延长的循环寿命，已成为电动汽车（EVs）和大规模储能系统的基石[1,2][3][4][5]。然而，对更高能量密度的不懈追求使得由热失控（TR）引起的火灾事件成为一个持续的安全瓶颈[6,7]。TR的特点是复杂的放热副反应，一旦触发，它可以在短时间内在整个模块或系统中灾难性地传播[8][9][10]。因此，开发精确、及时和稳健的早期预警机制对于确保电池系统在其整个生命周期内的安全至关重要[11,12]。
当前的电池管理系统（BMS）严重依赖传统的监测信号，包括表面温度、端电压和电流[13][14][15]。然而，表面温度测量往往难以反映实际的内部热状态，这受到传感器布置限制和热传导滞后性的影响[16,17]。此外，LFP电池特有的平坦电压平台使得电压变化几乎无法区分，从而限制了基于电压的故障诊断在早期检测中的灵敏度[18][19][20][21]。虽然气体传感器可以用于TR预警，但气体的检测通常表明不可逆的排气已经开始[22]，从而为有效干预留下了极其狭窄的时间窗口[23,24]。
在TR诱导阶段，LIBs会因锂脱嵌、相变和气体生成而发生显著的机械膨胀[25][26][27]。值得注意的是，这些“机械信号”通常先于它们的热信号和电信号[28][29][30]。因此，基于膨胀力的监测策略引起了广泛的研究兴趣。研究发现电池内部温度与关键外部参数（外部温度、膨胀力和开路电压）之间存在显著的相关性，这表明通过监测外部参数可以预测电池的内部状况，从而提高TR预警的效果[31,32]。然而，目前的研究主要集中在单个电池的膨胀行为或模块级别的总膨胀力（TEF）变化[33,34]上。鉴于内部反应的复杂性，气体生成本质上是随机的，并且通常伴随着凝胶卷的局部屈曲[35,36]。这种现象导致模块大表面上的应力分布出现明显的时空异质性。传统的集总力测量忽略了由局部气体生成和结构变形引起的应力集中效应[37,38]。因此，在复杂的触发场景下（例如，局部过热与一般过充），它们难以区分故障机制，从而影响了早期预警策略的精确性和稳健性。
为了填补这些空白，本研究针对52 Ah LFP电池，使用了一个定制的原位监测平台，该平台配备了薄膜压力传感器阵列。我们系统地阐明了单个电池和1P4S模块在两种代表性滥用情况（侧向加热和过充）下的力-热耦合演变行为。本工作的具体创新有三个方面：（1）我们系统地分离了在不同触发模式下控制膨胀力产生的根本机制。（2）我们引入了从分布式力信号中派生的多维空间指标——特别是主成分分析（PCA）重建误差和相关距离——来定量描述分布式力场异质性的演变。我们验证了应力分布的不均匀性是识别TR预兆的高灵敏度探针。（3）我们通过比较温度、集总力、分布式多维力特征和电压的响应延迟，构建了一个分层预警机制。最终，这项研究致力于从机械信号中挖掘深层次的时空洞察，为下一代高安全电池系统的感知和高级预警提供了新的理论视角。
本研究的结构如下：第2节全面描述了实验设置，包括电池样品、传感器规格、测试平台配置和测试协议。第3节通过分析机械响应，阐明了与不同热故障路径相关的内部反应机制。它进一步评估了利用多维分布式力特征进行TR预测的可行性，并提出了一种基于机械、热和电信号集成的分层预警策略。最后，第4节总结了本研究的关键发现和贡献。
部分摘录
原位分布式薄膜压力传感器阵列
薄膜压力传感器由三个基本组件组成：传感元件、传感膜和信号调理电路。传感机制决定了传感元件的结构配置。在压阻式传感器中，基于硅的应变计将机械应力转换为电阻变化，而电容式传感器则通过电极间距变化引起的电容变化来检测压力。
单电池过热下的TR分析
图3展示了由过热引起的单电池TR的实验结果。激活热板后，观察到电池内部温度持续升高。由主表面加热引起的故障过程可以分为四个连续阶段。通过实时监测三个关键参数——膨胀力、温度（T1/T2）和电压——可以清晰地阐明复杂的内部物理和化学演变。
在第一阶段
结论
本研究专注于52 Ah LFP系统，系统地研究了在侧向加热和过充引起的TR过程中电池和模块（1P4S）的电化学-机械耦合演变。结果揭示了在不同滥用条件下膨胀力响应与内部副反应之间的内在相关性。与传统的热信号和电信号相比，膨胀力在故障开始时表现出更早和更明显的响应。
CRediT作者贡献声明
贾先义：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，数据管理。朱江功：资金获取，概念化。陈东海：数据管理。于超：调查。蔡吉祥：正式分析。辛林月：软件。王晓阳：资源。叶红：资源。徐文涛：验证。戴海峰：资金获取，概念化。魏学哲：资金获取，概念化。
