传感器阵列可监测优化电池性能

近日，德国弗劳恩霍夫硅酸盐研究所成功使用不同的传感器来监控电池的内部状态。借助这些数据，研究人员改进了电池管理系统，优化了充电和放电过程以及电池模块中单个电池的负载，从而显著加快充电速度，并延长了电池的使用寿命。

频繁的充放电和老化过程会损害电池的性能，缩短其使用寿命。深入研究这一过程，对提高电池性能和延长使用寿命意义重大。最近，弗劳恩霍夫硅酸盐研究所的科学家与合作伙伴一起，使用声学、机械和热传感器，以及电化学阻抗谱来监控和测量电池。其中，超声波传感器发出的脉冲可以穿过不同的电池层，产生电池单元的声波图。如果电池在充电过程中膨胀或电极出现缺陷，就会影响信号的传播。压敏传感器可以记录某些组件在充放电期间如何改变其体积。热传感器则用来测量温度变化。电化学阻抗谱用于分析电极过程动力学、双电层和扩散等。

所有传感器数据都传输到电池管理系统并进行评估。借助这些数据，并将真实数据与电池数据模型进行比较，研究人员能够对真实电池状况进行全面分析，并在电池进行放电和充电时更加优化地控制电流。一方面，可以获得尽可能大的功率；另一方面，温和的过程可以使得相关的功能层（电池的阳极、阴极等）不会受到过大的压力，这样可以减少约20%的充电时间，延长电池的寿命。

通过监控电池并在运行期间主动控制电流，看似简单的能量储存器就可以变成一个智能电池，这对安装了数百甚至上千个独立电池的电动汽车电池组而言是非常值得的。

此外，研究人员开发的多功能传感器阵列还可以更好地了解电池中复杂的电化学过程，并相应地调整电池管理。使用过程中的机械应力和自然老化过程会在电池敏感的内部留下痕迹。特别是石墨层破裂或电极产生枝晶等现象。它们不仅会削弱性能，在极端情况下，还会在电池中产生短路，从而导致电池起火。未来，该技术不仅会覆盖电池产品的整个生命周期，还将被用于各种类型的电池，如锂离子电池、固态电池或锂硫电池等。