华东理工大学团队研发自解耦多模态传感器，大幅提升锂离子电池热失控早期预警能力

研究背景

锂离子电池作为可持续能源体系的核心，被广泛应用于电动汽车、电网储能、消费电子等领域，但在热、机械、电气滥用条件下易引发热失控（TR），伴随放热反应、可燃气体释放、结构变形等问题，严重时会导致火灾、爆炸，成为制约锂电池产业发展的核心安全瓶颈。

现有锂电池监测技术存在显著局限：单模态传感器仅能监测电压、温度、压力等单一参数，无法关联电池内部电化学、热、机械的耦合过程，难以精准界定热失控早期预警窗口；传统多模态传感器则存在严重的信号串扰问题，需复杂硬件或算法解耦，且光纤类传感器易受弯折、振动损坏，薄膜类传感器多为温/压双模态监测，缺乏气体检测维度，同时体积偏大，难以实现与电池的无缝集成。因此开发一款低串扰、多维度、小型化、高稳定性的监测传感器，成为实现锂电池热失控精准早期预警的关键需求。

研究进展

华东理工大学团队受昆虫触角多模态感知（力、温度、气体）的生物特性启发，研发出电子多功能传感触角（EMSA）—柔性薄膜型自解耦多模态传感器，通过无掩模激光直写工艺制备，实现了温度-应变本征自解耦与热-机械-气体三模态同步监测，核心设计与性能实现多重突破：

1.仿生结构与多机制感知：受昆虫触角多模态感知生物特性启发设计了自解耦多模态传感器，温度、应变、气体模块分别基于塞贝克效应、电容变化、半导体金属氧化物氧化还原反应实现感知，采用正交输出信号，从根源减少信号串扰（图1）；

2.优异的本征解耦与传感性能：多模态传感器的测温精度为±1 ^oC、应变检测覆盖0~3500 με、氢气最低检测限10 ppm，且具有长期稳定性（图2）；

3.工艺与集成优势：无掩模激光直写工艺实现异质功能材料的无缝集成，传感器体积小、可定制具备产业化潜力（图3）；

4.多物理场模型协同：构建了电化学-热-机械（E-T-M）与电化学-热-压力（E-T-P）耦合模型，结合EMSA实测数据，可解析锂电池正常工况下的热-机械演化，以及热失控过程中的内部反应规律，实现预警窗口的界定（图4）。

以磷酸铁锂软包电池为研究对象，完成了正常充放电与热、机械、电气三种滥用场景下的热失控监测实验。结果表明，EMSA可有效捕捉电池全生命周期的多模态信号，针对热滥用场景能高效定位热失控核心前兆节点，机械滥用下的预警响应比电压信号早2.3 s，还能捕捉到电气滥用下温度传感器无法识别的氢气泄漏信号，同时可区分热失控触发类型，实现不可逆反应前的及时干预。

未来展望

这款自解耦多模态传感器（EMSA）不仅为锂电池热失控早期预警提供了紧凑型、高可靠性、低成本的全新解决方案，其核心设计与制备工艺还为多模态传感器的研发提供了新思路：无掩模激光直写工艺的集成优势、仿生多机制感知的解耦策略，可拓展至其他储能器件、工业设备的安全监测领域。

在实际应用中，EMSA可直接集成于电动汽车、电网储能站、便携式电子设备的锂电池系统，实现实时无线安全监测；同时，传感器与多物理场耦合模型的结合，可应用于锂电池设计阶段的安全优化，为电池制造的风险评估、工艺改进提供数据支撑，推动锂电池产业的安全升级。

此外，该传感器的三模态监测与自解耦技术，还可与电池管理系统（BMS）、人工智能预警算法结合，构建锂电池安全监测与预警一体化平台，为新能源产业的安全发展筑牢技术屏障。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.1120