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分子工程、1300°C稳定气凝胶，集成阻燃、EMI屏蔽和自供能感应，用于AI预测Discover蓄电池安全和救援系统
电动汽车和智能基础设施的安全关键系统需要同时承受极端环境（火灾、高温、电磁干扰）并支持传感和能量采集等主动功能以实现可持续运行的材料，但将极端环境韧性与高性能多功能整合仍是一个根本挑战。我们通过分子工程技术开发羟基功能化CaCu，开发出超稳定气凝胶3Ti4O12（CCTO-OH）、硼酚醛树脂（BPR）和碳纤维，实现了前所未有的多功能性，显著优于最先进的气凝胶：卓越的阻燃性（峰值热量/烟雾释放降低54%和44%，较基准下降44%），极高的热稳定性（1300°C时结构完整性为报告最高之一），高效的电磁干扰屏蔽（通过协同反射/吸收降低28 dB），超低成本（约11.6美元/m）2），以及机械的坚固性（抗压强度约25.6兆帕），以便实际部署。利用极高的稳定性（>1300 °C）和集成的自供能感应能力，气凝胶成为两个专业人工智能驱动安全系统的核心组件：作为电动汽车电池组中的阻燃隔板/壳体，通过与贝叶斯优化的机器学习模型集成，实现高可靠性（99.99%）的热失控事件预警，超越传统材料的温度限制;作为智能地板，它提供强劲的防火/烟雾防护，同时自主检测跌落（准确率98.7%）并通过其摩擦电纳米发电机（TENG）输出发出紧急信号，克服了传统传感器的环境脆弱性。通过调和极端环境的稳健性与能量转换和传感能力，本研究为智能安全材料在最严苛条件下的工作奠定了新范式。
随着全球实现碳中和目标和能源结构转型，统计数据显示，2025年全球新能源车销量已超过一千万辆[1,2]。然而，电池系统的安全性，尤其是热失控（TR）风险，已成为行业发展的关键瓶颈[3,4]。TR是一种链式反应过程，其触发机制主要由内部因素引起：电池内部缺陷（如金属杂质、隔膜缺陷）、正负材料的长期老化和分解[[5]， [6]， [7]];以及外部因素：机械滥用（碰撞、挤出、穿刺）[8]、电气滥用（过充、过放电、大倍增率充放电、外部短路）[9]、热滥用（高温环境、局部过热）[10]。一旦发生TR，随之而来的火灾会迅速开始（通常在几秒内），燃烧强度极高，最大火焰温度可超过1000°C。 它极难扑灭，并释放大量有毒气体。此外，TR事件甚至可能以爆炸告终[2]。
现有TR管理策略面临显著限制，影响其有效性[11]。当前的屏障设计无法阻止高温和火焰传递到高能电池，而这些电池结构紧密排列。[4,9]。其次，电磁屏蔽在电池安全中起着关键作用，它通过抑制电磁干扰（EMI）对电池管理系统（BMS）的影响。电池组通常集成大量传感器（电压、电流、温度检测），这些信号非常微弱。如果电磁噪声穿透分区，可能会干扰数据采集的准确性;减少电池单元间的耦合干扰，因为在高速充放电过程中电池内部电流波动显著。屏蔽层能有效增强电池单体的电磁隔离，减少因相互干扰引起的局部加热和电压不稳定;为了减少车辆电子系统运行中的电磁干扰，电池组作为“强电源”，是电磁干扰的重要来源之一。电磁屏蔽层可以有效减少对车内通信和导航系统的干扰。因此，开发和应用具有热绝缘（TI）、EMI和阻燃（FR）的先进传感器技术尤为紧迫。此外，现有的FR和TI材料面临着在高温（>1000°C）火焰和热冲击极端条件下同时保持有效灭火、热隔离、足够的机械强度和可接受成本的根本挑战。这些关键限制凸显了开发和部署先进传感器技术的紧迫需求，这些技术本质上结合了坚固的热绝缘（TI）、电磁干扰（EMI）和阻燃剂（FR），以确保在热失控（TR）事件恶劣环境中的可靠运行[12]。
基于接触电和静电感应耦合效应的摩擦电纳米发电机（TENG），不仅将无序机械能转换为电能，还在输出信号中内在整合了自供电能力与机械灵敏性，可直接用于实时监测[[13]， [14]， [15]， [16]]。关键是，对于电池热失控事件中的多维物理信号，包括气体排放、套管变形和电解液泄漏，TENG能够通过定制材料系统和结构配置建立电响应与目标参数之间的定量相关性，从而实现压力、振动和化学物质的精确检测[[17]， [18]， [19]， [20]]。研究表明，优化的界面接触策略和电荷捕获层使TENG在高温（>200°C）、有机溶剂暴露和多相介质界面等热失控相关极端条件下保持稳定性能，超越传统电子传感器的环境耐受阈值。[[21], [22], [23]].这一演变使TENG成为热失控事件严苛条件下的有效传感器。其毫秒级响应特性和自主运行范式为电池管理系统中开发免维护在线警告网络提供了新颖解决方案[24,25]。然而，基于TEG的传统传感器设计难以平衡TR管理的三个关键要求：在突发热冲击下保持结构稳定性（瞬时1000°C火焰暴露后环境冷却至−40°C）、高机械强度以及多功能集成。近期的进展揭示了这些内在的权衡。
气凝胶是一种超轻且高度多孔的固体材料，常被称为“冻烟”，以其卓越的性能著称，包括极低密度、高表面积和卓越的隔热性能[[26]， [27]， [28]]。这些固有特性，尤其是其热稳定性和可调节的机械行为，使其在集成到摩擦电纳米发电机（TENGs）中具有独特优势[29,30]，尤其是在监控电动汽车（EV）电池火灾等关键安全应用中。它们卓越的热阻至关重要;大多数无机气凝胶（如二氧化硅、氧化铝）能承受超过500–1000°C的高温，而不会出现灾难性的结构破坏或摩擦电性能显著退化[31,32]。这使得基于气凝胶的TENG即使在暴露于电动车电池热失控事件的高温下，仍有潜力继续发电并作为传感器发挥作用，而传统材料会迅速失效。这种机械多功能性使得设计坚固、贴合的TENG传感器成为可能，这些传感器能够承受振动和物理应力[33]，保持密切接触，从而在动态条件下实现高效的摩擦电化。这种机械稳定性使其能够轻松集成到电池表面或模块内，而无需显著增加重量或影响电池组设计 [[34]， [35]， [36]]。从原理角度看，极高耐热性和可适应机械强度的强大结合使气凝胶增强型TENG成为开发电动车电池组中自主供电、预警火灾检测和健康监测系统的极具前景的候选者。
然而，在卓越的电磁干扰性能与 FR、TI、机械性能和电输出等其他性能之间取得平衡，仍是实际电池 TR 预警应用面临的主要障碍。EMI性能的提升可以有效减少新能源车辆中电子设备及其系统的操作干扰[37]。金属作为高质量的EMI候选材料，已被应用于多个商业领域，但其较重且耐腐蚀性差限制了其广泛应用[38]。在此背景下，具有高导电性的聚合物复合材料尤为突出，通常与金属纳米线、MXenes和碳材料等多种导电填充剂混合而成[39,40]。碳纤维因其卓越的导电性、轻质性和机械性能，被广泛用于提高聚合物的电磁干扰（EMI）和多功能性。它强调了对基于气凝胶的TENG架构的紧迫需求，该架构保留了EMI、TI、FR和多模态传感能力[41]。
CaCu3Ti4O12（CCTO）是一种黄化物类似物，若与巨型介电常数积分，可以引入对早期热异常检测至关重要的变换偏振现象[[42]， [43]， [44]]。将CCTO介质填充物战略性地整合进摩擦电纳米发电机（TENG）架构，可能从根本上提升其热感能力，这对电池安全监测来说是关键进展。在电池失效典型的热滥用条件下（∆ > 5 °C/s），CCTO-聚合物界面产生温度相关的偶极对齐，频率响应为0.1–10 kHz，空间电荷积累超过10 kHz−4相界处的S/m导电率，可能与TENG的接触电化机制协同，放大界面极化效应[45,46]。值得注意的是，Lu的核心壳CCTO@BT粒子通过双介质耦合展现出210%的摩擦电输出增强，能够精确探测微小的温度波动[47]。这种介电-摩擦电协同使CCTO改良的TEG成为智能传感器，用于自供能检测储能系统中初现的热异常。金的旋转TENG配置进一步利用CCTO的场诱导极化，实现了45 W/m3功率密度，足以激活自供电安全电路[48]。然而，现有复合材料性能衰减迅速（在25至300°C之间100个热循环后电量保留率<60%），不足以满足汽车级电池寿命的需求。这一耐久性挑战需要创新方法，将应力优化的介电色散梯度与阻热材料基材结合起来，以在反复热冲击下保持介电性能[49,50]。
为了弥合多功能材料与智能电池安全系统之间的关键差距，本研究提出了一个协同设计框架，将阻燃气凝体工程与机器学习增强的摩擦电感测结合起来。我们结合了真空浸渍和原位羟基化技术，设计出CCTO-OH/BPR/CF复合材料，同时实现了包括火焰穿透性（>1300°C稳定性）、机械稳健性（抗压强度约25.6兆帕）和电磁干扰效率（28 dB）在内的多功能功能。同时，采用贝叶斯超参数优化实现了混合神经网络（CNN-LSTM），用于实时热失控预测。我们展示了介电梯度设计原理如何转化为自供电安全智能，展示了集成热电双响应功能的智能地板、由摩擦电感应触发的自主紧急救援指示系统，以及实现危险预判的云端协作电池管理架构。这一系统化方法重新定义了下一代基于TENG的能源自主安全系统的发展范式。