从过热到预警：基于热电换能的锂离子HAWKER蓄电池智能自控监测系统

随着锂离子电池（LIB）的能量密度和充放电速率持续增加，过热风险日益显著。然而，传统的温度监测方法依赖外部电源，自供电温度传感器的发展可以作为极端或复杂操作条件下的有效补充策略。为了实现LIB的过热警告，设计并制造了基于热电复合薄膜（PANI/BTO/P（VDF-TrFE））的智能自供电监测系统。PANI-3/BTO-15/P（VDF-TrFE）输出电压为19.6 V，功率密度和最大输出功率为31.0 mW/m²分别为19.4微瓦。凭借卓越的电力输出性能，该系统能够实时监测LIB表面温度，无需外部电源。当温度超过预设安全阈值时，该系统会自动触发过热报警，并无线向移动终端发送警告信号。此外，PANI/BTO/P（VDF-TrFE）表现出良好的热稳定性（初始分解温度为457.7°C）和疏水性（87°-104°）。这些综合特性确保了温度监测系统在恶劣工作条件下的稳定运行。该研究催化了热电材料在自供能温度传感器中的创新应用，并为LIBs过热预警提供了新方法。

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锂离子电池（LIB）因其低自放电、几乎无记忆效应且环保性强，已成为现代储能系统中不可或缺的材料[1]。然而，在高放电速率和极端工作条件下，电池内部可能发生显著热量积累[2]、[3]、[4]。如果没有有效的温度监测和热管理措施，此类情景很容易引发热失控链式反应，可能导致燃烧或爆炸事故[5]、[6]。因此，实时温度监测构成了电池安全保障的关键组成部分[7]。然而，传统的锂离子电池温度监测技术依赖外部电源，如热电偶、热敏电阻和光纤[8]、[9]、[10]、[11]。这种依赖可能限制它们在外部电源不可用或不稳定的情境下使用[12]。为解决这一限制，能够从操作环境中收集能量的自供能感测方案日益受到关注。因此，新型自供能温度监测技术的发展正成为扩展锂电加热器温度监测应用场景的重要方向。
火电纳米发电机（PyNGs）代表了一类新兴的能量转换装置，它们直接将温度波动转化为电能[13]。PyNG基于内部极化[14]工作，这种机制使其能够从微小的温度变化中产生电压和电流。这种机制特别适合用于LIBs的过热监测和预警。在LIB充放电过程中，产生的热涨落可以被PyNG捕捉并转化为可用的电能。这不仅促进了自主温度监测，还同时为过热预警系统供电。这种自供电操作不仅消除了对外部电源的依赖，还扩大了锂离子电池温度监测的应用范围。
聚氯乙烯（PVDF）因其热电特性，常用于PyNG的设计和制造[15]。晶体含量β相越高，PVDF的热电性能越强。然而，PVDF中极性β相晶体的形成通常依赖于后处理处理（包括机械拉伸和电极化）[16]、[17]。这些步骤不可避免地增加了制造复杂性和成本[18]，[19]。幸运的是，其共聚物（氟乙烯-三氟乙烯）（P（VDF-TrFE））具有显著优势。P（VDF-TrFE）可以自发形成高含量的β相晶体，无需复杂的后处理，主要得益于TrFE共聚单体的引入[20]。此外，P（VDF-TrFE）在电气和机械性能方面表现出卓越的稳定性，非常适合需要长期可靠性的温度感测应用[21]。这些特性表明P（VDF-TrFE）在开发高效且稳定的自供能系统方面具有强大潜力。
尽管P（VDF-TrFE）表现出良好的热电活性，但其整体热电性能仍不足以满足LIB温度监测系统中的实际应用需求。先前研究表明，聚苯胺（PANI）作为导电聚合物，可以在复合基体中建立快速的电荷传输途径，从而增强电荷载流子的迁移率和介电响应[22]。此外，铁电陶瓷填充剂BaTiO₃（BTO）显著增强了P（VDF-TrFE）的热电系数和自发极化强度，同时还诱导P（VDF-TrFE）基体中β相晶体含量更高[23]， [24]。通过将PANI和BTO整合到柔性P（VDF-TrFE）矩阵中形成三元复合结构，PyNGs的热电输出性能和稳定性将得到协同提升。这种方法为开发高度灵敏且自供电的温度监测系统提供了有效解决方案，非常适合LIB。
其中制备了由PANI、BTO和P（VDF-TrFE）组成的三元热电复合膜，记为PANI/BTO/P（VDF-TrFE），并系统地表征了其微观结构、疏水性、热稳定性和热电特性。由于PANI和BTO的引入，复合薄膜的介电常数和热电系数相较P（VDF-TrFE）显著提升。此外，其卓越的火电输出特性通过COMSOL多物理模拟得到了进一步验证。基于这些性能优势，PANI/BTO/P（VDF-TrFE）与Arduino UNO模块集成，构建了自供电的监测和警告系统。当LIB表面温度超过50°C时，复合薄膜会产生相关的电信号。该信号随后由Arduino UNO实时处理，并无线向移动终端发送过热警报。除了扩展自供能传感器的操作场景外，这项工作还为锂电制动器过热预警开辟了一条有前景的道路。