电池作为现代社会不可或缺的储能技术，在3C产品、电动汽车、电化学储能等各个领域发挥着至关重要的作用。然而，随着未来电化学能源装置需求的不断增长，锂离子电池作为现有的先进电池系统面临着一系列重大挑战，例如耗时的人工材料筛选、安全隐患、性能衰减、离网状态下无法接入、环境适应性差、废旧电池污染等。因此，将智慧生命的特性融入电池中构建智慧系统是解决上述问题最有吸引力的策略之一。
近日，南开大学陈军院士、张凯（通讯作者）团队发表综述介绍了智慧电池系统的概念，并全面概述了其核心智慧特性，包括材料基因组学、无损检测、自修复、自维持能力、温度适应性和可降解性，这些特性赋予电池更高的性能和更多的功能。此外，还深入讨论了智慧电池系统未来可能的研究方向。为超越传统电化学能源的设计提供见解，满足更广泛的应用场景，如超长续航电动汽车、宽温储能、太空探索和可穿戴电子设备。
Fig. 1 Illustration of sapiential battery systems.
该成果以“Sapiential battery systems: beyond traditional electrochemical energy”为题发表在国际期刊“Chem Soc Rev” ( IF 40.4 )，第一作者是南开大学Zhang Tongrui。
Fig. 2 Schematic of existing challenges in battery technologies.
- 材料基因组学的概念：这是一种将基因组学方法应用于材料科学的创新研究领域，通过高通量实验技术收集大量数据集，然后利用高通量计算方法和大数据分析进行分析。- 数据、算法和计算能力：这三者是AI的核心要素，其中数据集的质量和范围对AI模型的性能至关重要。 - 高通量计算（HTC）与ML的结合：这种结合已经革新了材料研究，使其成为预测新材料及其属性的高效机制。- 材料基因组学与生物学基因组学的相似性：材料基因组学通过大数据和DDTs显著减少了人力和时间的投入，被誉为科学研究的“第四范式”。- ML在电池材料发现中的应用：通过训练模型来建立输入参数和目标属性之间的映射关系，从而快速准确地估计和探索材料性能。- ML模型的类型：包括人工神经网络（ANN）、支持向量机（SVM）、随机森林（RF）、梯度提升回归（GBR）和多元线性回归（MLR）等，这些模型已被成功应用于预测电池材料的特性。- 实验计划的重要性：精心设计的实验计划对于使用高通量方法高效地探索电池材料组合的广阔搜索空间至关重要。- 自动化机器人设施的应用：这些设施可以有效地收集大量数据集，与DDTs结合使用，可以显著减少确定理想电解质组合所需的实验迭代次数。
Fig. Relationships between materials genome and DDTs.- 红外热成像（Infrared thermography）：用于实时监测电池操作过程中的热行为，以评估电池的热安全性和性能。- 超声成像（Ultrasonic imaging）：利用超声波的穿透性和与材料相互作用的特性，评估电池内部的物理参数，如气体生成和电解液渗透。- X射线计算机断层扫描（X-ray computed tomography，CT）：通过材料吸收系数的差异，实现电池内部结构的三维映射，用于分析电池的结构和动态过程。- 内置传感器的应用：通过传感器可以直接获取电池内部的信息，如温度、气体和压力，对于评估电池的健康状态至关重要。- ML在图像分割和电池材料微观结构分析中的应用。 - 利用ML模型来预测电池的状态的应用，包括充电状态（SOC）、健康状态（SOH）和剩余使用寿命（RUL）。
Fig. (a) Schematic diagram of ultrasonic imaging technology. (b) Ultrasonic transmission images of a pouch cell after storage. (c) Principle of scanning ultrasonic instrument based on a focused ultrasonic beam. (d) Ultrasonic images of pouch cells.- 自愈合电极：通过在电极材料中整合自愈合聚合物粘合剂或使用液态金属阳极来实现电极的自愈合。这些电极通过可逆化学键或特定相互作用在断裂界面处修复损伤，从而提高电池的容量和耐用性。- 自愈合聚合物粘合剂：这些粘合剂能够在电极材料的断裂界面处通过可逆化学键或特定相互作用修复损伤，从而提高电极材料的电化学稳定性。- 液态金属阳极：低熔点液态金属在充/放电过程中经历可逆的液-固-液转变，从而实现自愈合。液态金属的流动性在实现自愈合能力中起着关键作用。- 结构自愈合阴极：通过电化学驱动的溶解-再结晶或电化学锂补充实现自愈合，这些阴极材料能够在充/放电周期中经历不可逆相变时自我修复。- 人工SEI（固体电解质界面）：人工SEI是通过化学和电化学反应在阳极和电解质之间形成的材料相，用于减少后续界面副反应，确保电池的长期循环稳定性。人工SEI可以是无机的、有机的或复合的，它们通过不同的机制实现自愈合。- 自愈合聚合物电解质：聚合物电解质可以解决锂枝晶生长、气体生成和热失控等问题。自愈合聚合物电解质通过可逆的共价键或非共价相互作用实现自愈合，从而提高电池的安全性和寿命。- 基于太阳能的SPBS：通过太阳能电池或双功能光电极将太阳能转换为电能并储存起来。太阳能电池与电池通过外部电路集成，或者使用双功能光电极直接在电池内部进行光电转换和能量存储。 - 基于热能的SPBS：利用热电化学电池（TGCs）或热充电电池（TCCs）将热能转换为电能。TGCs基于塞贝克效应（Seebeck effect），而TCCs基于索雷特效应（Soret effect）。- 基于机械能的SPBS：通过压电纳米发电机（PENGs）或摩擦电纳米发电机（TENGs）将机械能转换为电能。PENGs利用压电效应，而TENGs利用摩擦电效应。- 基于生化能的SPBS：也称为生物燃料电池，利用生物体的代谢活动直接将有机物转换为电能。这些电池可以利用人体体液（如汗液和血液）进行自充电。
- 电解质设计：为了使电池在宽温度范围内工作，需要设计能够在低温下保持高离子导电性和在高温下保持稳定性的电解质。这包括使用功能性添加剂、宽温度范围的锂盐和共溶剂。 - 高温适应性电池：介绍了高温下电池热失控的问题，并探讨了通过热响应释放阻燃剂和热响应阻断载流子机制来防止热失控的方法。这些方法包括在隔膜中封装阻燃剂、使用微胶囊封装阻燃剂，以及在电池中集成正温度系数（PTC）电阻器。- 低温适应性电池：讨论了在低温条件下，电池性能受限于其缓慢的动力学问题，并介绍了内部自加热和混合自加热策略来提高电池在低温环境下的性能。这些策略包括使用嵌入式镍箔作为内部加热器，以及结合内部和外部加热方法的混合自加热系统。- 温度适应性电池的未来发展方向：强调了未来电池需要能够在更宽的温度范围内工作，以适应全球气候的多样性和极端温度要求。提出了集成自加热镍箔和宽温度范围电解质的电池结构，以及使用可逆PTC电极的电池。
Fig. Mechanism diagram of temperature-adaptive batteries.
Fig. (a) Typical electrolytes for LIBs in wide temperature range. (b) Schematic illustration of the interfacial manipulation via the NTSA additive.(c) Design principles for stable lithium salts over a wide temperature range. (d) Design instructions for electrolytes with fast ion transport and excellent film-forming property.传统的二次电池通常使用非降解电极和不可分解的有机电解液，这导致了资源密集型的处理过程和环境危害。可降解电池由能够随时间分解的材料组成，可以减少电池废物对环境的影响。- 生物可降解电池：这类电池可以在自然环境或生理环境中通过微生物活动（如细菌、真菌和藻类）完全或部分分解。研究集中在开发可降解的隔膜或固态电解质，以及使用环境友好和生物可降解的生物聚合物。- 化学可降解电池：这些电池设计为在特定化学物质的作用下分解，如酸、碱和热。这种设计旨在通过特定的化学环境快速回收电池组件，从而加速降解过程并确保及时收集副产品。 - 可降解电池的应用：可降解电池在医疗领域尤其有用，例如作为植入式传感器、药物输送系统或体内临时设备的电源。此外，它们也适用于可穿戴医疗设备和可食用电子设备。
Fig. Possible scientific directions for future sapiential battery systems.智能电池系统作为电池技术的一次革命性进步，正在推动电池技术进入新的前沿领域。通过模仿自然界智能生物体的特性，智能电池系统解决了传统电池领域的关键问题，如材料筛选效率低、安全性问题、性能下降、在离网状态下的可用性、环境适应性差以及废旧电池的环境污染等。智能电池系统集成了材料基因组学、无损检测、自愈合、自供能、温度适应性和可降解性等核心智能特性，显著提高了电池的性能和功能。展望未来，智能电池系统的研究将集中在以下几个方面：1. 增强各个智能功能：通过硬件和软件的综合优化，提高智能电池系统的效率和性能。例如，通过多技术耦合提高检测的准确性和实时性，以及通过分子和纳米结构调整提高自愈合聚合物的机械性能。2. 智能功能的耦合：未来的智能电池系统将整合多种互补功能，如自供能和自加热功能，以提高系统的整体性能。例如，通过整合自加热和自供能功能，可以在便携式设备中更有效地利用太阳能。3. 开发新的智能功能：随着技术的进步，智能电池系统将继续发展新的智能功能，如极端工作条件下的适应性、脑机界面控制和智能互联网连接。这些创新将使电池更加灵活和适应性强，为人类带来更多便利。智能电池系统的发展将对电池技术的进步、能源危机的解决和环境的保护产生深远影响。通过整合智能特性，智能电池系统将在多样化的环境和应用场景中提供稳定的能源保障，同时显著减少能源浪费和环境影响。未来的研究将专注于开发具有多功能能力或下一代智能特性的智能电池系统，通过跨学科合作，智能电池系统的快速发展将为各种应用提供强大的支持，并为全球可持续发展目标做出重要贡献。Tongrui Zhang, Jiangtao Yu, Haoyang Guo, Jianing Qi, Meihong Che, Machuan Hou, Peixin Jiao, Ziheng Zhang, Zhenhua Yan, Limin Zhou, Kai Zhang and Jun Chen, Chem. Soc. Rev., 2024, DOI: 10.1039/d4cs00832d.
发稿人：
来源：功能材料与能源化学创新团队
时间：2024-11-12
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