【研究背景】
锂离子电池在极端工作条件下易发生热失控等安全问题，其核心瓶颈在于传统电池管理系统（BMS）主要依赖电压、电流、温度等外部参数进行状态估算与安全预警，对于电池内部关键动态（如锂枝晶生长、电解质分解、电极相变等）如同一个无法透视的“黑盒”，难以实现实时、精准的捕捉与诊断。近年来，植入式传感器技术为解决这一“黑盒”难题提供了新思路，它通过将微型传感单元集成于电池内部，可直接感知如温度、压力、应变乃至化学环境的变化。然而，该技术走向实用化仍面临两大核心挑战：一是电池内部苛刻的化学环境（高压、强腐蚀性电解液）对传感器材料的长期稳定性构成严峻考验；二是传感器的植入过程与本体存在，必须尽可能避免对电池的封装完整性、电化学性能及循环寿命产生负面影响。
【工作简介】
近日，中国矿业大学新能源与安全监测课题组等人开发了一种基于ZnO钝化的CsPbBr3量子点并封装于EPDM中的植入式柔性传感器，实现了对锂离子电池内部状态的实时监测。该传感器电阻与电池电压变化高度同步（响应时间<5秒），植入后电池容量衰减率差异仅为3.8%。研究团队创新性地结合原位X射线衍射（XRD）技术与理论计算，揭示了传感器响应与内部锂离子浓度动态的耦合机制。进一步集成LSTM多任务学习模型，系统实现了电池运行状态的超前预测（5000秒），平均绝对误差为6.10%，充放电速率识别准确率达96.7%。
该文章发表在国际顶级期刊Nano Energy上。中国矿业大学材料与物理学院硕士研究生孙佳鑫为本文第一作者，材料与物理学院黄胜副教授、顾修全副教授和安全工程学院何新建教授为共同通讯作者。
【内容表述】
1. 研究思路
锂离子电池工作的本质，是锂离子在正负极之间的往复嵌入和脱出。这个过程的动态平衡直接决定了电池的性能、健康状态和安全。然而，在极端工况下，锂离子的动态分布会失衡。监测锂离子动态的重要性：电池内部关键的失效模式，如锂枝晶的生长、电极材料的相变、局部过充/过放导致的副反应等，其最直接的微观体现就是锂离子浓度和分布（即锂离子动态）的异常变化。传统的外部监测（电压、电流、温度）无法直接捕捉这些关键的内部化学信号，导致安全预警滞后，性能评估失准。因此，实现对电池内部锂离子动态的直接、实时监测，是突破现有电池管理技术瓶颈、迈向精准安全预警与状态评估的关键。现有监测技术的局限：虽然诸如原位X射线衍射、核磁共振等技术能够从原子/分子层面揭示锂离子的行为，但它们严重依赖大型科研设备，无法集成到实际的商业电池中实现实时、在线的监测。本工作的解决思路：植入式化学传感器：为解决这一难题，本研究的核心思路是开发一种能够植入电池内部、并能将周围锂离子浓度的变化直接转换为易测电信号（如电阻）的微型化学传感器。旨在直接“读取”电池工作时的内部化学状态，从而将电池管理从依赖外部间接推测，提升到基于内部直接信号的精准感知新层级。
2. 研究内容
图1. CsPbBr
3/ZnO/EPDM的合成工艺与表面改性原理及测试
通过在甲苯溶液中混合铯前驱体和铅前驱体，并引入20 μL Et2Zn作为有机配体，成功合成了ZnO钝化的CsPbBr3量子点，最终与EPDM复合形成柔性薄膜。DFT计算从能量角度证实了界面结合的可行性：Et2Zn在CsPbBr3上的吸附能为 -0.0881 eV；氧化形成的ZnO与CsPbBr3的界面吸附能显著降低至 -0.8230 eV，表明该界面反应为热力学自发过程，结构稳定。XRD图谱显示，CsPbBr3/ZnO在 15.19°、22.12°、30.69° 处出现立方相CsPbBr3的特征衍射峰；在 31.72° 和 33.61° 处观察到ZnO的弱衍射峰，证实ZnO成功包覆。并且该复合材料在电解质环境中工作电池循环50次后，XRD图谱未出现明显的峰位移或新相，证明了其在苛刻电化学环境下的结构稳定性。同时补充信息中TRPL分析显示，ZnO钝化使材料的平均荧光寿命从 38.48 ns 延长至 45.41 ns，证实其表面缺陷被有效钝化，稳定性提升。
图2. 测试装置和传感器性能结果
将尺寸为 1.5×1.0 cm 的柔性传感器植入定制的扣式电池内部，使其浸没在电解质中并将其放置于电池正极附近，以监测该区域的锂离子浓度变化。测量系统采用一个由STM32微控制器和双探针结构，对传感器施加恒定的3 V电压，并通过测量电流，根据欧姆定律实时计算其电阻值。前期验证（补充材料S3）表明，在该电压下，传感器电阻波动小于2%，证明了其在电解液环境中的操作稳定性和可行性。
在电池的恒流充放电测试中，传感器电阻与电池电压表现出高度的同步变化。在0.05 mA，0.10 mA，0.15 mA多种电流下的连续10循环测试中，传感器电阻变化与电池电压变化的趋势始终保持高度一致（图2c），补充信息S4中增加传感器应用300个周期，长达七天的测试后传感器持续提供稳定的响应，证明了其出色的信号稳定性和循环可靠性。关于LIBs监测，温度和充放电速率对传感器的影响不可忽视。为评估温度及充放电速率对传感器稳定性和电阻响应的影响，该研究还在40°C、50°C和60°C下进行了额外实验（补充图S6），涵盖了LIB的典型工作范围和高温工作范围，电压-电阻关系在三种温度条件下依然清晰可辨，表明CsPbBr3/ZnO/EPDM薄膜在LIB温度范围内（40–60°C）内保持稳定的传感功能。除了测试传感器在电解质环境中的性能外，还通过投币电池的比较实验研究了传感器植入对电池自身性能的影响。15天的长期充放电循环测试结果如图2d所示。无植入传感器和植入传感器细胞的容量衰落率分别为18.0%和14.2%，容量差异为3.8%。
图3. 分析传感器对电解质中锂离子的响应机制
在0.05 mA的恒流充放电测试中，传感器电阻与电池电压表现出高度的同步变化。充电阶段：电压从2V升至4V，传感器电阻从 1.11 MΩ 增加至 2.32 MΩ，变化率 ΔR/R0 = 1.09。状态切换瞬间：当从充电切换到放电时，传感器电阻在 4.07
s内急剧跃升至峰值 4.33 MΩ，变化率高达 ΔR/R0 = 1.86，展现出对锂离子浓度瞬态变化的极快响应（响应时间 < 5 s）。通过DFT理论计算可以发现Li+在ZnO-CsPbBr3异质结界面吸附，会引起界面电荷的重新分布，直接改变了传感器的导电特性。电子结构分析进一步揭示，Li+吸附能显著地调制传感材料的能带结构，带隙变化范围0.426 - 2.057 eV，从而通过改变载流子迁移率来影响电阻，这是整个传感机制的核心。
原位XRD揭示动态耦合过程（图3d）：利用原位XRD技术，同步监测了正极材料（LiFePO4）晶体结构演变与传感器电阻变化。在充电阶段结束时，阴极锂浓度较低（LiFePO4（210）、（121）和（141）晶面的衍射峰分别向更高角度移动0.10°、0.14°和0.16°）。瞬时放电时，阳极的锂需要穿越电池隔膜迁移到阴极。其嵌入阴极片的速率显著低于离子穿过隔膜的迁移速率，导致正极表面附近的锂浓度瞬态变化。这种浓度变化改变了ZnO-CsPbBr3异质结界面的电荷分布，从而影响传感器的导电性。这会导致传感器电阻在状态开关后4.52秒内急剧上升至峰值（R/R0=1.55）。随着放电过程的继续，Li+插入阴极的现象逐渐达到稳态（t
1/2=1150秒），电阻下降至平衡态（R/R0 =0.29）。充放电切换时，LiFePO4特征衍射峰的滞后回移时间（Δt= 1155 s）与传感器电阻的弛豫时间（τ= 1150 s）高度吻合。这直接证明了传感器电阻的动态演化是由锂离子在电极中的嵌入/脱出动力学所驱动，确立了传感信号与内部锂离子动态的直接关联。相反，在放电终止到充电的过渡过程中，高浓度锂从正极快速穿过隔膜到负极，导致浓度瞬变，导致电阻急剧下降。此外，这种不对称的电阻响应特性（充电时的平均电阻比放电时低45.1%）完全符合锂离子在电极间的动态分布模式，验证了感应机制与电池内部电化学行为之间的内在相关性。
图4. 基于LSTM的电池状态预测系统的训练模型与结果分析及对比
基于传感器提供的内部锂离子动态信号，我们构建了LSTM多任务学习模型。该模型成功实现了使用10000秒的历史数据作为输入，对未来5000秒电池充放电状态的预测（MAE=6.10%），并对充放电速率识别的准确率高达96.7%，展现了基于内部信号进行智能电池管理的巨大潜力。
3. 最终核心结论
通过材料设计和机制分析，本研究成功开发了基于锌钝化CsPbBr3量子点的可植入式柔性传感系统，为锂离子电池内部的实时多参数监测提供了创新解决方案。实验和理论结果证实，ZnO钝化层形成热力学稳定的界面吸附（∆Eads= 0.823 eV）在CsPbBr3上。EPDM聚合物封装显著提升了灵活性和稳定性，电解质中的传感器电阻波动低于2%。锂吸附将CsPbBr3/ZnO的能隙降低到0.426 eV，从而实现电阻率变化率（R/R0为1.86，响应时间小于5秒）。
通过DFT与原位XRD相结合，从理论与实验上共同揭示了传感器电阻响应与锂离子浓度变化的内在关联机制。通过集成LSTM多任务学习模型，系统实现了电池状态的高级预测（前方5000秒），电压预测误差低于0.12 V，充放电速率识别准确率为96.7%。这项工作不仅克服了传统BMS在实时捕捉内部动态上的局限，还为开发高度稳定的植入式传感器和智能电池管理系统提供了新的见解。
【文献详情】
“Enabling high-accuracy lithium-ion battery status prediction via machine learning-integrated perovskite sensors”
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111626
