柔性PZT压电薄膜在线监测锂电池内部缺陷-应对薄膜电池安全挑战
随着新能源汽车和移动电子设备的快速发展，锂离子动力电池的性能和安全性成为产业关注的焦点。尤其是在追求更长续航和更高能量密度的趋势下，电池结构正朝着高密度、轻量化、微型化方向发展。然而，与之伴随的是更严峻的安全风险：内部短路、热失控、隔膜穿孔等缺陷问题已成为电池事故的主要根源。传统监测方法主要集中在温度、电压和电流等宏观参数上，难以及时探测电池内部微结构层面的早期缺陷。为解决这一技术瓶颈，柔性PZT压电薄膜材料提供了一种全新的、高灵敏度的在线监测解决方案。
柔性PZT压电薄膜的特性优势
柔性PZT压电薄膜材料兼具柔性和高性能压电特性，可广泛贴合非平整曲面，适用于复杂结构表面集成。其核心优势如下：
- 高灵敏度压电性能：能够感知微小形变、应力变化，是监测微结构缺陷的理想材料；
- 柔性贴合能力强：可共形设计，贴合电池内部复杂界面而不影响其正常工作；
- 尺寸小、重量轻：不会对电池性能和结构造成额外负担；
- 耐高温、耐腐蚀、抗辐照性强：可适应电池工作中的极端环境；
- 可嵌入式设计：可以嵌入电池电极、隔膜层等关键部位，实现原位、实时监测。
薄膜电池面临的关键安全挑战
随着电池单体能量密度的提升，其内部材料的稳定性、安全边界受到挑战，主要体现在：
- 隔膜穿孔或缩退：导致正负极接触，引发短路；
- 电极材料脱落、粉化或裂纹：引起局部过热或电性能失效；
- 不可预测的热-力学行为：在高倍率充放电或滥用条件下，可能诱发热失控；
- 结构变形引发应力集中：微裂纹发展可能导致灾难性失效。
传统监测手段（如热电偶、电压检测器）只能反映电池外部或总体状态，缺乏对微观缺陷早期识别的能力。因此，亟需一种可嵌入、原位、实时、高精度的新型传感技术。
柔性PZT压电薄膜在锂电池中的监测应用
将柔性PZT薄膜嵌入电池内部结构，如正负极片、隔膜层或外壳之间，可以构成压电感知复合结构，通过感知微小机械应力或应变变化，捕捉电池内部潜在的结构性异常，具体应用包括：
- 隔膜损伤监测：当隔膜局部穿孔或老化退化时，会引起应力传导路径变化，PZT薄膜能实时感知异常应力波动；
- 电极结构完整性监测：在电极材料出现粉化、脱落或开裂时，局部压电响应将发生变化，可用于早期识别结构疲劳；
- 内嵌压电阵列实现分布式监测：通过阵列化部署多个柔性PZT单元，可实现锂电池内部多点位、分布式状态感知；
- 与智能监控电路集成：压电信号可与电子电路联合，构建具备自诊断、自响应能力的智能安全系统。
- 压电-热电多参数监测：
柔性PZT压电薄膜材料为锂离子电池的安全监测提供了全新的思路和技术路径，尤其适用于当前电池向高密度、小型化发展的趋势。通过实现电池内部微结构状态的实时感知，有望从源头预防电池安全事故的发生，为新能源汽车、可穿戴设备、无人机等领域提供更加可靠的能源保障。随着材料技术、智能感知与电池制造工艺的不断融合，柔性PZT将在下一代智能电池系统中发挥越来越重要的作用。