电量传感器 无需电池，自供电，MIT开发出新型传感器
无需电池、自供电，MIT开发出新型传感器
电子发烧友网报道（文/吴子鹏）近日，麻省理工学院（MIT）的研究人员发表论文称，该团队开发出了一种无需电池、自供电的传感器，可以从环境中获取能量。由于它不需要必须充电或更换电池，也不需要特殊的布线，这种传感器可以被嵌入到难以触及的地方，比如船舶发动机的内部结构中。
论文作者之一、MIT电气工程与计算机科学和机械工程教授史蒂夫·李博士指出，“这款传感器从环境电源中获取能量，并且不需要额外的特殊装置。”
论文第一作者、麻省理工学院电气工程与计算机科学研究生丹尼尔·蒙纳格尔表示：“我们提供了一个无电池传感器的范例，它能做一些有用的事情，并证明这是一个切实可行的解决方案。希望其他人也能利用我们的框架来设计他们自己的传感器。”
MIT的自供电传感器
根据论文，MIT研究团队设计一种环境感应装置，它能从电线周围露天产生的磁场中获取能量，然后给温度传感器供电，而无需电池或有线连接。
这款自供电的传感器共分为以下几个部分：能量收集器、能量存储、电源管理、传感电路和通信模块。为了避免使用电池，这款传感器采用了内部储能技术，包括一系列电容器。为了让能够储存设备开启和开始收集电能所需的能量，但又足够小，研究团队重新设计了电容器，这款电容器不需要太长时间就可以充满电。
同时，这款传感器对电流有精准的控制——可以在运行过程中持续感知和控制能量流，并将多余的能量存储以备后用。该研究团队还为此专门设计了控制算法，这个算法能够动态地测量和预算设备收集、存储和使用的能量。微控制器和算法配合，成为整个传感器的大脑，主要负责能量的检测，以及决定什么时候打开和关闭传感器。
图源：MIT论文
为了让传感器能够利用储存的能量稳定工作，MIT研究团队在设计这款传感器时主要采用超低功耗的电路设计，并且配合精密算法来控制设备，防止因为收集能量过多而爆炸。针对这款传感器，研究团队认为，未来优化方向之一是探索传输数据的能耗更低的手段，例如光学或声学，进一步降低系统的能耗。
能量收集技术的发展
毫无疑问，MIT这款传感器是能量收集技术的一个典型应用。能量收集技术能够从自然环境中获取能量，而并非依赖电池或其他类型所产生的电力。能量收集的类型有很多，光能、温差、振动、射频（RF）等能量都可以成为能量源。
上面提到了磁场能量变化的收集，其实其他类型的能量收集也是类似。比如，温差能量（TEG）采集，其主要原理为赛贝克效应，热电发生器（TEG）中的温差可产生电势，从而将热源中的废热转换为电能，由于产生热能条件的特殊性，其不必像光能那样，采集能量的多与少完全取决于设备所处环境中的光线强度。
根据Grand View Research的分析数据，2022年全球能源收集系统市场规模为6.4661亿美元，预计到2030年将达到15.039亿美元，2022年至2030年的复合年增长率（CAGR）为11.13%。市场的增长主要源于物联网不断增长的应用，包括智能城市、智能家居、工业物联网（IIoT）和机器对机器（M2M）通信等。
不过，能量收集技术虽然提出很多年了，不过仍需要克服一些挑战。正如ADI公司在技术博文中提到的，由于能源的多样性，系统必须对其进行转换、调节和控制。另外，还需要适当的保护电路和储能单元，避免受到高压或功率尖峰的影响。由于能源提供的能量通常非常微弱，电子设备必须具有很高的工作效率。这些挑战在MIT的设计中也得到了印证。这些挑战就会导致出现不能保证数据采集的精确度，很难在其上面扩展功能，设备难以和平台形成交互等问题。
不过，物联网设备用量仍然在爆发，且很多设备的安装需要能量收集技术这种创新技术，因此值得持续推进。
后记
据Statista统计数据，2022年全球物联网市场规模达到9702.2亿美元，2022年全球IoT链接设备数量达到143亿台。随着物联网设备数量增加，维护会是一个很大的挑战，其中换电池也是维护的一种，能量收集技术则能够帮助解决这个痛点。
科学家用热传感方法实时监测电池衰减，为电池管理提供反馈信息
近期，南方科技大学曾玉强助理教授团队基于热导率测量开发出一种新型监测手段，能够在实际的应用场景中，实时获取锂离子电池衰减状态的变化信息。
与以往的实验室手段相比，该方法具有简单、成本低、体积小、测量数据准确、非嵌入式等特点。“并且，这种新方法最大的优势在于，它与实验室通过高成本、大型设备手段所获取的信息相当。”曾玉强说。
图丨曾玉强（来源：曾玉强）
在快速充电条件下，由于锂离子缓慢的传输速率，无法嵌入石墨负极的锂离子往往以金属形式析出，即析锂现象。析锂会导致电池加速衰减，这也是目前锂离子电池未在市场上广泛地应用快速充电的重要原因之一。
这种新型的监测手段，能够为电池管理提供实时的电池状态信息反馈。该技术有望应用于电动车和储能电站相关的电池监测及管理，服务于电动化交通和储能领域。
图丨基于电池热导率测量的电池监测方法效果示意图（来源：南方科技大学）
曾玉强指出，电动车和储能电站的核心问题之一是安全性问题。在使用过程中，电池内部状态的变化可能引起安全隐患，比如析锂、电解液消耗等。
传统的监测手段无法获得实时的电池衰减信息反馈，而该研究提供了一种相对简单的技术手段，为智能电池管理提供了准确的实时衰减信息。
图丨相关论文（来源：Nature Communications）
近日，相关论文以《非嵌入式热波传感器，用于对商用电池衰减的定量监测》（Nonintrusive thermal-wave sensor for operando quantification of degradation in commercial batteries）为题发表在 Nature Communications 上[1]。
南方科技大学助理教授曾玉强为论文第一作者，美国劳伦斯·伯克利国家实验室高级科学家拉维·S·帕拉萨尔（Ravi S.Prasher）为论文通讯作者。
图丨电池衰减的热导率模型（来源：Nature Communications）
一般来说，实验室的电池测试条件通常为恒温环境以及设定的运行工况。但是，实际的应用场景与实验室的运行环境不同。自然温度呈现明显的季节性和区域性变化，实际环境中的运行工况也比实验室更复杂。
举例来说，电动车实际需要的放电倍率是动态变化的，有时需要更高的放电倍率，有时则需要更低的放电倍率。
图丨电池热导率与电解液消耗量和锂沉积量之间的定量关系（来源：Nature Communications）
在锂离子电池衰减信息中，析锂量和电解液消耗量是两个最关键的指标。
一方面，锂离子在充电过程中可以嵌入到负极颗粒中。如果在快充或过充的情况下，锂离子可能因无法嵌入负极而析出在负极表面。一旦锂金属析出，它会继续与电解液反应消耗锂离子，从而造成锂电池容量衰减。
另一方面，锂电池的老化和容量衰减也可能由电解液被消耗所导致。曾玉强表示：“通过我们的新技术不仅能够获得析锂量和电解液消耗量这两个关键指标的实时信息，还能够基于此实现对锂离子电池的智能管理。”
并且，电池衰减状态的实时感知，可以精准反映电池安全状态的改变，例如析锂意味着电池有微短路的风险，需要采取特定措施避免该风险。
图丨快充过程中电池衰减的定量监测（来源：Nature Communications）
在以往的认知中，电池热导率只是电池热管理所需要用到的参数之一。而该团队在概念上创新，将电池热导率作为传感信号，建立了电池热导率和电池衰状态变化之间的定量关系，最终开发出简单、准确、可量化的电池热导率模型。
据悉，曾玉强课题组目前聚焦于器件的热传感和热管理研究，包括电子器件热管理，微纳尺度热传感和热成像，储能器件的热解决方案，量子器件的声子调控等。他们致力于探索器件本身性能的温度依赖性，并基于温度依赖性开发智能热管理方案。
在此前的研究中，该课题组利用电极尺度的嵌入式传感，得出热导率与锂离子浓度的定量关系，从电极表面获得相关衰减信息[2]，也为本次研究奠定了坚实的基础。
接下来，他们计划基于现有传感器，进行传感和调控一体化的尝试。“希望我们的热传感方法接下来可以实现对电池的调控，在感知电池衰减状态改变的同时，能够针对特定的状态来调整运行工况。”曾玉强表示。
参考资料：
1、Zeng, Y., Shen, F., Zhang, B. et al. Nonintrusive thermal-wave sensor for operando quantification of degradation in commercial batteries. Nature Communications 14, 8203 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-43808-9
2、Zeng, Y. et al. Operando spatial mapping of lithium concentration using thermal-wave sensing. Joule 5 (8), 2195-2210 (2021). https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.06.008
排版：刘雅坤
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