实时监测80度以下热失控风险
（前排自左起）KAIST 电气与电子工程系 Song Youngmin 教授，GIST 电气电子计算机工程系 Jeong Hyeonho 教授，（后排自左起）GIST 电气电子计算机工程系 Kim Juhwan、Kim Hyeonmin、Lee Juhyeong 研究员。
View original image国内研究团队开发出一项能够提前感知电动车电池火灾风险的技术。通过在早期捕捉电池内部的异常征兆，这项技术有望预防火灾或爆炸等重大事故。
光州科学技术院（GIST）24日表示，该校电气电子计算机工程系 Jung Hyeonho 教授与韩国科学技术院（KAIST）电气及电子工程系 Song Youngmin 教授共同领导的研究团队，开发出一种纳米光学温度传感器，能够在电池内部温度尚未达到危险水平、即80摄氏度以下时，实时感知热失控风险，并以直观方式向用户发出警告。
电池虽然是电动车、可穿戴设备、城市空中交通（UAM）等尖端技术的必备能源，但因热失控引发的火灾、爆炸事故接连发生，安全问题日益凸显。尤其是当电池内部温度超过80摄氏度时，电解质、隔膜等内部关键构成要素开始受损，并可能在1分钟内急剧飙升至500摄氏度以上，因此，能够在早期感知温度并提前发出风险预警的技术开发刻不容缓。
现有温度传感器由于热电偶只能测量其直接接触部位，难以掌握整体温度分布；红外摄像机则因表面材质不同而测量精度受限。此外，利用热致变色材料的既有技术反应速度较慢，不适合用于实时感知。
研究团队关注到20世纪60年代报道的一种单元素材料“碲（tellurium）”所具有的独特光调制特性，开发出利用厚度为10纳米（nm）的碲超薄膜（ultrathin film）的热致变色纳米光学器件。
碲在室温升高至80摄氏度的过程中，会由固态部分熔化为准液态（quasi-liquid），在可见光波段其折射率发生0.7以上的变化，具有优异的光调制特性，因此可以在1亿分之1秒量级实现超高速温度感知。
研究团队在铝基电池表面沉积了一层厚度为10纳米的极薄碲层（Te），并在其上叠加数十纳米厚的玻璃（SiO2）保护层，制作出一种随温度变化而反射颜色发生改变的 Gires-Tournois 共振腔（Gires-Tournois resonator）。该共振腔在80摄氏度以下相对较低的温度区间内，最大化放大了由碲的固态—准液态相变所引起的光学特性变化；同时通过玻璃保护层防止碲受外部环境损伤，从而确保稳定性。器件无需复杂电路或外接电源即可工作，当温度达到特定值时颜色会发生变化，冷却回到室温后又恢复原本颜色，具备可逆（reversible）特性。
制备出的纳米光学器件能够通过颜色精确区分从室温（25摄氏度）到80摄氏度的温度变化，其温度感知性能与商用热电偶相当。进一步地，该器件还能以17毫秒（ms）级的快速视频帧间隔，将电池表面温度分布及热扩散过程实时可视化。此外，即便经历数十次加热—冷却循环及周围湿度变化，该器件仍能稳定感知温度，并在9个月后依然保持热致变色特性，其优异耐久性已得到验证。
研究团队将所开发的纳米光学器件应用于商用18650电池和智能手机，成功实现对充放电过程中产生的发热进行实时监测，从而证明了该技术的实际应用可能性。该光学器件可直接沉积在电池单体表面，或通过胶带简单贴附，易于在工业现场导入；用户无需任何专业设备或分析人员，仅凭智能手机或数码相机即可轻松确认电池温度状态，商业化前景十分广阔。
GIST Jung Hyeonho 教授表示：“我们将碲的光调制特性与纳米光子学技术相结合，掌握了能够在早期对电池爆炸风险进行预警的源头技术。今后有望在电动车、航空、航天、消防、可穿戴设备等多个领域得到应用。”
KAIST Song Youngmin 教授表示：“近期国内外电池火灾事故频发，安全性保障愈发重要。本次技术有望为下一代电池安全提供新的范式，并为解决社会问题作出贡献。”
此次研究由GIST电气电子计算机工程系 Jung Hyeonho 教授和KAIST电气及电子工程系 Song Youngmin 教授指导，GIST研究人员 Kim Hyeonmin、Lee Juhyeong、Kim Juhwan、Kim Gyurin、Han Janghwan、Ko Juhwan 具体实施，获得了科学技术信息通信部和韩国研究财团优秀青年研究项目、未来技术研究室项目以及 GIST-MIT 人工智能国际合作项目的资助。研究成果已于去年7月23日在线发表于材料领域知名国际学术期刊《Advanced Materials》。
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