一款可植入電池內(nèi)部的高精度光纖傳感器

手機爆炸、電動汽車行駛或充電過程中的火災(zāi)事故在生活中經(jīng)?？梢?，讓人們在享受鋰電池帶來的便利的同時，也擔(dān)心其在安全方面的重大問題。如何降低這一風(fēng)險？

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授孫金華、研究員王青松團隊與暨南大學(xué)教授郭團團隊研制出一款可植入電池內(nèi)部的高精度光纖傳感器。相關(guān)研究成果日前在線發(fā)表于《自然-通訊》。

“這款高精度光纖傳感器可以在1000攝氏度的高溫、高壓環(huán)境下正常工作，同步測量出電池?zé)崾Э厝^程內(nèi)部溫度和壓力，為快速切斷電池?zé)崾Э劓準(zhǔn)椒磻?yīng)提供預(yù)警手段。”王青松向《中國科學(xué)報》介紹。

破解國際性科學(xué)難題

手機、筆記本電腦、電動自行車、電動汽車中都有一個關(guān)鍵部件——鋰離子電池。隨著全球范圍內(nèi)能源危機的出現(xiàn)、“雙碳”目標(biāo)的驅(qū)動，鋰離子電池產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。

然而，鋰離子電池常常會發(fā)生爆炸，也就是熱失控，這是威脅電池安全的“癌癥”，是制約電動汽車與新型儲能規(guī)模化發(fā)展的瓶頸。

研究表明，電池?zé)崾Э卦从陔姵貎?nèi)部一系列復(fù)雜且相互關(guān)聯(lián)的“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”?！斑@可以從電池內(nèi)部和外部兩方面討論。從內(nèi)部來看，電池由正負極、電解液、隔膜等組成，其中電解液和隔膜都是易燃物，正負極和電解液在一定溫度下又會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，進而產(chǎn)生熱量和可燃氣體。也就是說，電池內(nèi)部本身就是一個熱不穩(wěn)定的體系?！蓖跚嗨烧f。

從外部來看，電池在使用過程中容易出現(xiàn)各種外部濫用：電濫用，如過充、過放等；熱濫用，如高溫、局部發(fā)熱等；機械濫用，如撞擊、擠壓等。這些外部濫用會造成電池內(nèi)部材料發(fā)生一系列連鎖化學(xué)反應(yīng)，電池內(nèi)部溫度快速提升，最高可達800攝氏度，導(dǎo)致電池起火或爆炸。

如何科學(xué)、及時、準(zhǔn)確地預(yù)判電池安全隱患，是當(dāng)前電池安全領(lǐng)域的國際性科學(xué)難題。

為攻克這一難題，研究團隊提出一種可植入電池內(nèi)部的高精度光纖傳感器，在國際上率先實現(xiàn)對商業(yè)化鋰電池?zé)崾Э厝^程的精準(zhǔn)分析與提早預(yù)警。

《自然-通訊》的一位審稿專家評價道，“該研究有助于電池健康狀態(tài)監(jiān)測，并在不可逆損害前發(fā)出預(yù)警信號?！?/p>

小巧光纖實時監(jiān)測電池健康狀態(tài)

將光纖植入電池，并非王青松等人首創(chuàng)。

因光纖傳感器具備體積小、重量輕、耐受高溫高壓、耐受電解液腐蝕等優(yōu)勢，前人將其植入電池。但他們主要測量的是電池循環(huán)過程中的內(nèi)部參數(shù)，從未涉足電池?zé)崾Э乇O(jiān)測領(lǐng)域。

于是，王青松等人想將光纖植入電池內(nèi)部，以監(jiān)測電池?zé)崾Э剡^程，并探索電池內(nèi)部參數(shù)能否為電池?zé)崾Э仡A(yù)警提供新思路。

研究思路有了，做起來卻非常難，因為現(xiàn)有的大多數(shù)光纖傳感器無法在熱失控過程中“幸存”。

王青松解釋說，電池?zé)崾Э剡^程中，內(nèi)部壓力高達2MPa、溫度高達500至800攝氏度，在這種高溫高壓的沖擊下，光纖信號會中斷，無法測得電池內(nèi)部溫度和壓力數(shù)據(jù)。

研究的關(guān)鍵是開發(fā)一款“健壯”的光纖傳感器。他們與郭團團隊聯(lián)合攻關(guān)，多次改進光纖結(jié)構(gòu)，開展熱失控實驗，反復(fù)修改和驗證，最終通過對光纖進行套管保護，在保證內(nèi)部信號傳輸?shù)耐瑫r解決了光纖容易斷的難題。

“這款高精度光纖傳感器總長度12毫米、直徑125毫米，能夠植入商業(yè)18650電池，實時監(jiān)測電池?zé)崾Э仄陂g的內(nèi)部溫度和壓力影響。”王青松向《中國科學(xué)報》介紹了光纖傳感器的結(jié)構(gòu)。

相比現(xiàn)有的外部監(jiān)測技術(shù)，內(nèi)部光纖傳感技術(shù)更具有及時性、靈活性。

“就好比人們患病，當(dāng)感知到疼痛時，往往為時已晚。這就像電池外部特征的變化一般都是滯后的?！蓖跚嗨山忉尩溃岸メt(yī)院體檢，可以通過CT等看到內(nèi)部器官變化，從而預(yù)知疾病的發(fā)生，并通過治療手段阻止疾病進一步發(fā)展。但這種大型設(shè)備體積龐大，無法隨時隨地監(jiān)測內(nèi)部狀態(tài)變化。如果在人體內(nèi)植入芯片，就可以做到實時跟蹤預(yù)警。就像在電池內(nèi)部植入光纖傳感器，可以做到實時監(jiān)測預(yù)警。”

值得一提的是，該研究通過解析壓力和溫度變化速率，首次發(fā)現(xiàn)溫度和壓力變化速率的轉(zhuǎn)變點可作為電池?zé)崾Э卦缙陬A(yù)警區(qū)間。該發(fā)現(xiàn)適用于不同電量的電池，能夠在電池內(nèi)部發(fā)生“不可逆反應(yīng)”之前發(fā)出預(yù)警信號，保證了電池后續(xù)的安全使用。

用于同時監(jiān)測電池內(nèi)溫度和壓力的FBG/FPI傳感器工作原理

適合大規(guī)模推行量產(chǎn)

在王青松看來，光纖傳感器尺寸小、形狀靈活，具有抗電干擾性和遠程操作的能力和適合大規(guī)模生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)制造技術(shù)，并且可以實現(xiàn)一根光纖在電池的多個位置同時監(jiān)測溫度、壓力、氣體組分、離子濃度等多種關(guān)鍵參數(shù)。光纖傳感技術(shù)與電池的結(jié)合將在新能源汽車、儲能電站安全監(jiān)測等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

為此，研究團隊將探索光纖傳感器在大容量儲能電池中的應(yīng)用?！按笕萘績δ茈姵?zé)崾Э叵啾却舜窝芯恐械?8650電池更加劇烈，并且其熱失控特性和機理與小電池有所差異，這將是對我們研究的進一步考驗?！蓖跚嗨烧f。

另一方面，團隊將與電池制造商合作，希望在電池制作過程中植入光纖傳感器，避免對電池二次破壞，加快光纖傳感在儲能和新能源汽車電池管理系統(tǒng)中的應(yīng)用進程。

審核編輯：劉清