Joule：为未来供电的智能电池

       智能时代的到来带动了智能设备的突破性发展，对能源供应设备的应用提出了更高的要求。虽然锂离子电池已经可以商业化应用，但其电化学性能和适应性仍然受到固有材料缺陷和复杂技术创新的限制。面对以信息技术和人工智能为代表的第四次工业革命，基于这些颠覆性的材料和技术，可以构建出电化学性能优越、可靠性突出的新型电池。重要的是，智能概念已经被引入到电池的设计和管理中。在这篇综述中，作者明确定义和讨论了“智能电池”的含义，并根据其功能特征的智能特征将其分为三代。同时，阐述了智能电池的作用机理和应用原理，提供了一个全面的认识。此外，针对智能电池实际发展中面临的问题提出可行性意见，促进电池的可持续性。
背景介绍

       智能电池的设计与制造是材料科学与工程、仪器科学与技术、信息与通信工程、计算机科学与技术、电子科学与技术、控制科学与工程等学科交叉融合实现的。

智能电池是一个综合系统，集成了实时感知，动态响应、自主决策，以及智能材料、先进传感、信息融合、移动通信、自动控制、人工智能等高科技技术。为了提高储能装置的电化学性能，增强安全可靠性，增强应用适应性，优化功能多样性，智能电池的研究主要集中在信息化、交互性和自动化的目标上。一系列具有智能特性的先进电池作为推动供电设备快速发展的关键技术，将在智能电网一体化、可穿戴便携、电动汽车、智能装备等诸多领域发挥至关重要的作用(图1B)。本文根据智能电池的功能特点和智能水平将其分为几代，并对其感知、响应和决策的机制和技术进行了详细的阐述。最后，作者将为智能电池的挑战和意见提供Visio路线图。

图文解析

图1 基于智能功能的智能特性，将智能电池分为实时感知、动态响应和自主决策三代。

要点一：智能电池的发展

      从发展方向和智能功能的智能化特点来看，智能电池可分为三代，分别是实时感知智能电池、动态响应智能电池和自主决策智能电池，如图1所示。智能电池通过植入实时感知的多维物理传感器，监测电池内部丰富的物理信息，实现物理-化学-数字信息的转换。动态响应智能电池利用智能材料，可以适应不断变化的环境。它们使刺激反应的交互过程成为可能，从而允许基于电池状态的及时和准确的反馈。自主决策型智能电池以实时感知型和动态响应型智能电池为基础，利用数据驱动模型和DT技术，利用物理原理和传感器信息采集和数据操作，将多学科、多物理量、多维度仿真过程集成在虚拟空间中，对电池的全生命周期过程进行预测和映射。

图2感知原理应用示意图。(A)智能电池1.0-实时感知，各种传感器通过内部植入，感知电池内部的温度、应变、气体、压力等物理场信息。(B)电极内集成多点薄膜温度传感器，用于测定电池内部温度的变化(BI);将应变传感器放置在正极所提供的空间和果冻辊半径的中间位置，测量真实的内周向应变(BII);基于化学电阻功能材料的气体传感器进入电池(BIII);在圆柱形电池内植入温度和压力传感器，测量电池内部气体压力和内部温度。(C)光纤光栅传感器(CI)的工作原理，以及电池内部温度(CII)、热量(CIII)、应变(CIV)、压力(CV)的运行监测。(D)在电池内植入光纤倏逝波传感器，以原位监测RI(DI)、离子活性(DII)和化学演变(DIII)。

要点二：智能电池1.0-实时感知

       在模拟操作条件下监测商用电池老化的关键指标方面都具有不同的优势，但它们受到梯度效应、定位效应的限制，并且无法直接访问有关电池内部状态的信息。重要的是，电池内部物理场参数的获取是判断电池运行的重要依据。由于内部电池环境的特殊特性，上述方法不再适用，获得关于内部电池的准确信息极具挑战性。为了突破这一限制，颠覆性创新主要通过开发和集成先进的传感技术为电池注入智能功能。如今，快速发展的各种先进传感器已成功应用于各种电池，以获得组合的物理化学参数。通过内部注入的方式，可以获得电池整个生命周期中的温度、应变、气体、压力等传感信息，这对进一步评估电池的工作状态和热失控预警具有重要意义（图3A）。在这里，作者重点介绍了电池内部内源性传感器的传感应用原理，并借助于每个传感器动作的特征曲线进一步阐述了传感机制。

图3温度(I)、应变(II)、气体(III)、压力(IV)传感器、FOS (V)、FOEWS (VI)的传感特性曲线，以及随电池充放电感知变化的过程。

图4(A)智能电池2.0——对内外环境刺激的动态响应、自保护、自修复、自充电、自适应、自开关等功能。(B)自保护策略:热门控聚合物电解质响应温度变化可逆地打开/关闭离子通道(BI);当响应温度升高时，形状记忆聚合物集电极恢复到其原始形状，导致电路断开(BII);当温度达到熔点(BIII)时，包封在微胶囊内的相变材料熔化并释放阻燃剂。(C)具有动态键优势的聚合物(CI)、具有高表面张力的液态金属(CII)和热效应增强的锂原子表面迁移(CIII)实现了自愈。(D)收集周围环境中的机械能(DI)、化学能(DII)、热能(DIII)，转化为电能，实现自充电。(E)实现自适应功能的策略包括柔性电池材料(EI)和柔性/可拉伸电池结构(EII)的设计。(F)具有多路电子存储和传输机制的电极材料可实现自开关海水电池。

要点三：智能电池2.0

      根据其独特的功能类别，动态响应型智能电池的功能可分为自主保护、自主修复、自充电、自适应和自切换（图4A）。智能材料的应用使电池成为可能与环境互动并提供各种特殊功能，使其能够及时对内部和外部刺激和变化做出反应并提供反馈。因此，这种类型的电池能够在特殊的环境条件下有效地工作。

图5自保护(I)、自修复(II)、自充电(III)、自适应(IV)、自开关(V)智能功能的响应特性曲线及反馈电池电化学性能变化。

图6智能电池3.0-自主决策，利用大数据、数字孪生、云BMS等技术，实现智能电池自主决策。

        将多尺度建模的仿真数据和高通量的实验数据输入到机器学习算法中进行SOX预测;在物理模型和数据驱动模型的基础上，构建映射到物理实体的虚拟数字孪生模型，实现对电池状态的准确预测和诊断;云BMS由物联网组件和云基础设施组成，可收集大量多维时空数据，最终实现更有效的自主决策控制。

要点四：智能电池3.0

      以物联网、大数据和人工智能等数字技术为动力的第四次工业革命正在大力席卷全球。随着智能时代的到来，人们高度追求智能决策能力，以提供电动化和智能化的主流趋势。因此，电池行业面临着一个具有挑战性的问题，即增加可靠性、效率和安全性之间的权衡。尽管传统的BMS已被用于监测和保护电池免受故障的影响，但电池在实时故障诊断中存在不可靠性，这主要是由于算法模型不准确、计算能力有限和数据存储不足。为了确保可靠监测电池运行状态，实时估计当前电池健康信息（例如老化轨迹和剩余使用寿命）至关重要。这些信息有助于采用各种可靠的电池控制策略，以确保电池安全并延长电池寿命。为了更好地监测电池状态，实时可视化数据，实现更准确可靠的电池预测和诊断，并最终实现更有效的自主控制和系统决策优化，大数据驱动的自主决策智能电池利用了这些技术。基于此，图6提供了智能电池整个生命周期的自主决策框架。

图7 智能电池的综合控制框架与可行性评估智能电池的决策过程流程以及不同类型传感器和各种智能材料性能的对比总结。

      在电池内部状态感知阶段，植入的传感器和集成到应用程序中的智能材料都能够检测电池内部信息的变化。关键的区别在于如何处理这些感知到的内部参数。植入的传感器直接传输感知到内部参数信号到云BMS。随后，该过程通过各个层次推进，包括从机、主机和电池故障的系统诊断，以实现高级决策控制。相反，智能材料感知电池内部状态的变化，并将其作为特定的命令来提供智能和及时的响应和控制。在这个决策流程中，它体现了一种集成了多参数传感、云存储、过程可视化和高级控制等显著功能的智能电池。虽然智能电池优势众多，发展前景广阔，但其智能集成的可行性仍需进一步综合评估。在图7中，作者也总结了植入式传感器和智能材料的优缺点，以及两者的融合，最终实现智能电池的自主决策。

图8 Visio智能电池路线图。不同时代智能电池发展面临的科学问题，以及对解决这些问题的可行技术途径的一些看法，以实现智能电池的实用和可持续发展。

要点五：Visio智能电池路线图

      要实现智能电池的研发和制造，在进一步的研发中仍有许多瓶颈需要克服，而这些挑战也可能带来可持续发展的机遇。虽然近年来智能电池的研究已成为热点，但对其电化学性能、智能行为和实用性的探索仍处于起步阶段。因此，需要对智能电池进行性能优化和结构改造，形成技术集群。作者将讨论当前智能电池面临的科学问题，解决这些挑战的一些技术途径，并期待智能电池的Visio路线图(图8)。

智能时代的到来带动了智能设备的突破性发展，对能源供应设备的应用提出了更高的要求。虽然锂离子电池已经可以商业化应用，但其电化学性能和适应性仍然受到固有材料缺陷和复杂技术创新的限制。面对以信息技术和人工智能为代表的第四次工业革命，基于这些颠覆性的材料和技术，可以构建出电化学性能优越、可靠性突出的新型电池。重要的是，智能概念已经被引入到电池的设计和管理中。在这篇综述中，作者明确定义和讨论了“智能电池”的含义，并根据其功能特征的智能特征将其分为三代。同时，阐述了智能电池的作用机理和应用原理，提供了一个全面的认识。此外，针对智能电池实际发展中面临的问题提出可行性意见，促进电池的可持续性。