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王青松/郭團(tuán)Nature子刊：通過先進(jìn)的纖維實(shí)驗(yàn)室技術(shù)監(jiān)測商用鋰離子電池的熱失控

在熱失控過程中對可充電鋰離子電池內(nèi)部復(fù)雜的物理和化學(xué)活動(dòng)進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)測，對于了解熱失控機(jī)理和提供安全相關(guān)故障的早期預(yù)警至關(guān)重要。然而，現(xiàn)有的大多數(shù)傳感器都無法在這種極其危險(xiǎn)的熱失控過程（溫度高達(dá) 500 ℃，并伴有火災(zāi)和爆炸）中正常工作。

在此，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)王青松、暨南大學(xué)郭團(tuán)等人開發(fā)了一種緊湊型多功能光纖傳感器（長度為12mm，直徑為125μm），能夠插入商用18650電池中，以連續(xù)監(jiān)測電池?zé)崾Э仄陂g的內(nèi)部溫度和壓力影響。觀察到電池?zé)崾Э睾凸鈱W(xué)響應(yīng)之間存在穩(wěn)定且可重復(fù)的相關(guān)性。傳感器的信號顯示兩個(gè)內(nèi)部壓力峰值，對應(yīng)于安全通風(fēng)和熱失控的啟動(dòng)。

進(jìn)一步的分析表明，預(yù)測即將發(fā)生的熱失控的一個(gè)可擴(kuò)展的解決方案是檢測電池溫度和壓力微分曲線的突變范圍，這對應(yīng)于電池可逆和不可逆反應(yīng)之間的內(nèi)部轉(zhuǎn)換。通過在安全泄壓之前發(fā)出警報(bào)，這種新的原位測量工具可以提供電池安全評估和熱失控警告方面的關(guān)鍵功能。

圖1. 電池?zé)崾Э販y量的實(shí)驗(yàn)裝置

總之，該工作利用提出的光纖傳感器，成功地實(shí)現(xiàn)了對商用鋰離子電池在熱失控前和熱失控過程中的內(nèi)部溫度和壓力的現(xiàn)場操作性連續(xù)監(jiān)測和精確解碼，而不會干擾電池的運(yùn)行。此外，我們還觀察到并精確量化了電池?zé)崾Э嘏c光學(xué)響應(yīng)之間穩(wěn)定且可重復(fù)的相關(guān)性。該傳感器提供了一種可擴(kuò)展的解決方案，可在安全排氣前根據(jù)溫度和壓力差曲線的斜率變化確定熱失控的安全預(yù)警范圍。所提出的 FBG-FPI 光纖傳感器在電池?zé)崾Э刂?、期間和之后都具有出色的傳感特性和高再現(xiàn)性。它們體積小，形狀靈活，具有抗電干擾能力和遠(yuǎn)程操作能力，可采用標(biāo)準(zhǔn)制造技術(shù)進(jìn)行批量生產(chǎn)。

因此，通過融合電化學(xué)、傳感技術(shù)和數(shù)據(jù)科學(xué)之間真正的多學(xué)科努力，新型嵌入式光纖實(shí)驗(yàn)室傳感器將能夠持續(xù)監(jiān)測電池的健康和安全狀態(tài)，并將促進(jìn)更可靠的電池系統(tǒng)。可以通過一根光纖在電池的多個(gè)位置以原位方式同時(shí)監(jiān)測各種關(guān)鍵參數(shù)，包括溫度、壓力、折射率、氣體和離子濃度。這提供了迄今為止無法實(shí)現(xiàn)的原位安全性關(guān)鍵能力以及有關(guān)電池健康狀態(tài)和演變的補(bǔ)充信息。鑒于所需組件的光電集成潛力，設(shè)想這些技術(shù)在電動(dòng)汽車等大眾市場應(yīng)用中的廣泛使用并非不可想象。

圖2. 熱失控機(jī)制和建立即將發(fā)生的電池?fù)p傷的早期預(yù)警

Operando monitoring of thermal runaway in commercial lithium-ion cells via advanced lab-on-fiber technologies, Nature Communications 2023 DOI: 10.1038/s41467-023-40995-3

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