我们很难实时、精准地捕捉电池内部的热 - 力异常信号。传统监测方案要么只能测温度、要么只能测压力，信号不同步、易串扰，无法提前识别析锂、内短路、机械损伤等早期故障。

近期，四川大学何欣老师及其团队在顶刊《Advanced Materials》发表的最新研究，给出了一套突破性解决方案，即多层集成温压同步传感器（MTPS）。它能在同一位置、同一时刻，无干扰地监测温度与压力变化，把电池安全监测推向 “同步、原位、高保真” 的全新阶段。

一、锂电池安全监测的老难题

锂电池从正常工作到发生安全事故，往往会经历一系列隐蔽的早期异常：低温充电出现析锂、高温加速副反应、挤压导致结构破坏…… 这些故障都会同时伴随温度与压力的反常变化。但长期以来，行业面临三大难以突破的瓶颈：

第一，温压信号不同步。传统传感器采用平面分布式布局，温度探头和压力探头物理分离，局部异常出现时，两个信号无法同时捕捉，容易造成诊断滞后甚至误判。第二，信号串扰严重。温度变化会直接干扰压力读数，压力形变也会影响温度测量，没有有效的解耦手段，数据可信度大打折扣。第三，柔性与兼容性差。硬质传感器无法贴合软包电池曲面，太厚太重还会影响电池本身的电化学性能，难以真正规模化应用。

正是为了解决这些痛点，研究团队设计出垂直叠层结构的一体化传感器，把 “分开测” 变成 “同步测”，把 “易干扰” 变成 “自解耦”，为锂电池安全装上了更灵敏、更可靠的 “感知神经”。

二、MTPS 传感器

这款多层集成温压传感器（MTPS）看起来只是一片轻薄薄膜，却在结构、材料、算法上实现了三重创新，整体厚度仅261 微米，重量只有140 毫克，贴在电池表面几乎没有存在感，完全不会干扰电池正常工作。

1. 垂直叠层结构

MTPS 采用PI 柔性基底双面集成设计：一面是高精度温度传感单元，紧贴电池表面获取最真实温度；另一面是宽量程压力传感单元，同步捕捉电池膨胀、收缩、形变信号。两个单元垂直同轴，同一位置、同一时刻采集双参数信号，彻底解决空间不同步问题。

更巧妙的是，基底通过激光打孔并填充银浆，实现上下电路垂直导通，所有引线集中在同一侧，封装和接线极度简化，完美适配软包电池、模组的集成需求。MTPS 的层状结构、安装方式，以及与传统平面传感器的信号响应对比传统传感器面对局部鼓包故障响应滞后、信号错位，而 MTPS 能实现瞬时同步响应，预警速度与精度大幅提升。

MTPS 传感器结构示意图与工作原理：（a）传感器多层展开结构；（b）在软包电池上的安装监测方案；（c）传统分离式传感器与（d）MTPS 同点位传感器对局部热失控鼓包的信号响应对比；（e）传感器实物、柔性与尺寸实拍

2. 温度传感单元

团队制备了CNTs@MnO₂/PEDOT:PSS/PVA 复合传感材料：

CNTs@MnO₂提供高灵敏度，大幅提升温度响应系数；PVA 构建氢键网络，抑制离子迁移，解决信号漂移难题；整体保持优异柔性，受压、弯曲都不影响测温精度。

实测数据显示，该温度单元温度系数 TCR 达到 - 0.6%/℃，灵敏度远超纯 PEDOT:PSS 材料；响应时间仅1.4 秒，恢复时间1.9 秒，能快速追踪温度瞬变；在 20–70℃范围内线性度极佳（R²=0.9986），经过 50 次冷热循环、长时间连续工作，信号几乎无漂移，机械抗压抗弯曲能力也显著优于商用传感器。

3. 压力传感单元

为了同时捕捉 “极微弱压力变化” 和 “极端高压冲击”，研究团队设计了PDMS 三级微结构压力传感单元：

低压下，顶层微结构导通，实现高灵敏度；中高压下，二、三层结构逐级参与导电，拓宽量程。

最终实现0–1000 kPa 超宽量程，检测下限低至0.001 牛，能捕捉电池充放电时的微小体积形变；响应速度仅 0.5 秒，恢复 0.35 秒，经过 7500 次反复加压测试，性能依然稳定，完美覆盖锂电池从正常循环到滥用故障的全场景压力变化。

4. 硬件级解耦：彻底消除温 - 力串扰

温度对压力信号的干扰，是行业长期难题。团队基于大量标定数据，建立专用温度补偿模型，并把解耦算法集成在硬件电路中，实现实时在线校正。测试表明，经过补偿后，MTPS 在 20–70℃温度波动下，压力信号漂移远低于 5%，而商用传感器漂移接近 20%，真正做到 “测温不受压影响，测压不受温干扰”。

三、从单体电池到整车预警实测

研究团队把 MTPS 贴附在 3.1Ah 软包电池表面，进行了严苛的电化学测试、局部故障模拟、电池模组验证，甚至搭载到小型电动车上做路测，结果堪称 “精准可靠”。

1. 正常工况

首先验证的是传感器是否影响电池性能：对比贴附 MTPS 和未贴附的电池，循环稳定性、倍率放电容量几乎完全一致，证明 MTPS 是非侵入式监测，不会破坏电池内部反应。

在 1C 充放电循环中，MTPS 同步记录到：充电时电池温度上升约 2.28℃，压力变化超 380kPa；放电时温度升高更明显，压力随锂离子脱嵌可逆变化。连续 300 次循环后，温度幅值轻微上升、压力基线不可逆抬升，精准反映 SEI 膜生长、活性锂损耗、体积膨胀等老化行为，为寿命评估提供直接依据。

2. 局部故障模拟

团队模拟了三类最常见的电池故障：局部低温、局部加热、机械挤压，MTPS 都能第一时间捕捉特征信号：

局部低温：快速降温引发析锂，MTPS 捕捉到压力尖峰与基线不可逆抬升，后续拆解与 XRD 测试证实析锂发生，实现早期预警；

局部加热：温度快速上升，副反应加剧，温压基线持续偏移，超声与 SEM 显示电极结构损伤；

局部挤压：压力瞬时飙升超 700kPa，卸载后基线大幅下降，对应电极材料脱落、不可逆形变。

这意味着，析锂、热失控、机械损伤这些最危险的早期故障，都能被 MTPS 精准识别，而传统电压监测往往毫无反应。

3. 系统级与实车验证

在串/并联电池模组中，MTPS 能清晰识别单体不一致性：过充、过放的电芯会出现明显温压异常，风险评估模型直接标记高风险电芯，为模组均衡管理提供数据支撑。

电动车实车测试：研究团队将搭载 MTPS 的电池装入小车，模拟日常行驶、加速、颠簸，以及最危险的底盘刮擦。结果显示：正常颠簸仅引起小幅压力波动；而刮擦瞬间出现剧烈压力尖峰，且基线永久抬升，电压信号毫无异常，但 MTPS 成功预警机械损伤，避免隐患扩大。

文献信息：

DOI: 10.1002/adma.72963

文章来源：智锂魔方

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