一款自供能传感器，用于收集热能，应用于锂离子卡特蓄电池过热预警

随着锂离子电池（LIB）在储能和电动汽车领域的广泛应用，热失控相关的安全问题依然是一个重大挑战。现有的LIB温度传感器通常依赖外部电源，限制了其实用性。为解决这一问题，本研究提出了一种基于15重%BaTiO的自供电无线监测传感器₃/PVDF复合薄膜（BTO/PVDF-15），为LIBs过热预警提供了新的解决方案。在热电电压测试中，BTO/PVDF-15复合薄膜在60°C下产生了8.52伏电压。 此外，BTO/PVDF-15复合胶片的最大输出功率和功率密度分别达到14.14毫瓦和8.84毫瓦/米²，分别。正因为出色的热电性能，BTO/PVDF-15才能为Arduino UNO模块供电。除了能量转换外，BTO/PVDF-15 薄膜还表现出显著的热稳定性（428.5 °C 处质量损失 5%）和适度疏水性（pH 7 时水接触角为 90°），确保该过热预警传感器能在复杂环境中正常工作。本研究通过在LIBS过热预警过程中展示了BTO/PVDF-15复合薄膜和Arduino UNO模块，推动了热电传感器的发展。

图形摘要

 

锂离子电池（LIB）因其高能量密度和长周期寿命，已成为当今技术高度发达社会中不可或缺的能源储存方式[1]。然而，充放过程中大量热量产生可能导致内部温度快速上升，可能引发热失控链式反应和严重的安全事故[2]。这一安全问题使实时温度监测成为电池安全保障的关键组成部分。传统的LIB温度监测技术（包括热电偶、红外热成像和热敏电阻）在实际应用中面临显著限制：其依赖外部电源使它们在复杂工作条件或长期部署场景下容易受到电源不稳定的影响。火电纳米发电机（PyNGs）的出现正在改变这一范式[3]。
温度变化导致PyNG内部偏振，直接产生电压和电流驱动传感器[4]。这与依赖塞贝克效应、需要连续大温梯度的传统热电技术不同[5]。PyNGs在高效捕捉随时间变化的热能方面展现出独特优势。在空间均匀的热条件下，PyNG仍通过利用微小的温度变化产生电力[6]。这一特性使其适合LIB过热监测场景：充电和放电过程中产生的热波动可以通过PyNG转化为电能。这一创新消除了对外部能源的依赖，同时为环境可持续发展带来了潜在贡献。
聚氯乙烯（PVDF）是一种广泛使用的铁电聚合物;由于其独特的电气特性，它在电容器和传感器中得到了广泛应用[7]。此外，PVDF展现出高机械强度、卓越柔韧性、卓越的化学稳定性和低温加工能力[8]。张等人开发了一种PVDF薄膜，能够在50°C温差下直接驱动液晶显示器或发光二极管，同时为商用电容器充电[9]。输出电压与热波动的线性关系使PVDF能够作为锂电电池自供电预警系统的原材料。然而，单组分材料表现出受限的极化能力。因此，这限制了更高的功率输出[10]。
1978年，宾夕法尼亚州立大学材料实验室发现，向铁电聚合物中添加一些铁电陶瓷可以增强复合材料的电性能。这使得它成为热电材料研究热点[11]。BaTiO₃（BTO）是一种铁电陶瓷，以其卓越的热电特性和独特的极化特性而闻名[12,13]。此外，作为环保的无铅铁电产品，BTO为自供能预警传感器提供了可持续解决方案。当在PVDF基体中加入最优纳米级BTO时，该复合材料表现出显著较高的热电系数。同时，复合材料的柔韧性和薄膜形成能力也得到了提升 [[14]， [15]， [16]]。Achal 等人通过将 BTO 陶瓷集成到柔性 PVDF 基质中并开发 BTO/PVDF 复合薄膜，研究了热电能转换的应用。实验结果表明，BTO粒子与CF之间的界面相互作用₂PVDF中的基团增强了聚合物基体中极性β相晶体的含量，从而增强了火电输出电压的产生[[17]、[18]、[19]、[20]]。
本研究制备了15 wt% BTO/PVDF（BTO/PVDF-15）热电复合薄膜，并分析了其形态、结构、热稳定性、疏水性和电性质。在热电输出性能测试中，BTO/PVDF-15复合薄膜在60°C下产生8.52伏电压。 此外，其最大输出功率和最大功率密度分别达到14.14毫瓦和8.84毫瓦/米²，分别。COMSOL多物理（COMSOL）模拟进一步确认了BTO/PVDF-15卓越的热电电压输出。基于这些特性，BTO/PVDF-15复合胶片与Arduino UNO模块集成，建立了无线物联网架构。当检测到LIB表面温度超过50°C时，Arduino UNO会处理BTO/PVDF-15传输的电信号。它驱动动态视听报警，并将过热报警信号传输到移动设备。这一突破不仅扩大了自供能传感器的应用范围，还通过主动热监测降低了因LIBS过热导致的热失控风险。