【中国科学报】植入光纤传感器为电池做“体检”

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  手机爆炸、电动汽车行驶或充电过程中的火灾事故在生活中经常可见，让人们在享受锂电池带来的便利的同时，也担心其在安全方面的重大问题。怎么来降低这一风险？

  近日，中国科学技术大学教授孙金华、研究员王青松团队与暨南大学教授郭团团队研制出一款可植入电池里面的高精度光纤传感器。相关研究成果日前在线发表于《自然-通讯》。

  “这款高精度光纤传感器能在1000摄氏度的高温、高压环境下正常工作，同步测量出电池热失控全过程内部温度和压力，为快速切断电池热失控链式反应提供预警手段。”王青松向《中国科学报》介绍。

  手机、笔记本电脑、电瓶车、电动汽车中都有一个核心部件——锂离子电池。随着全世界内能源危机的出现、“双碳”目标的驱动，锂离子电池产业迅速发展。

  然而，锂离子电池常常会发生爆炸，也就是热失控，这是威胁电池安全的“癌症”，是制约电动汽车与新型储能规模化发展的瓶颈。

  研究表明，电池热失控源于电池里面一系列复杂且相互关联的“链式反应”。“这可以从电池里面和外部两方面讨论。从内部来看，电池由正负极、电解液、隔膜等组成，其中电解液和隔膜都是易燃物，正负极和电解液在一定温度下又会产生化学反应，进而产生热量和可燃气体。也就是说，电池里面本身就是一个热不稳定的体系。”王青松说。

  从外部来看，电池在使用的过程中有可能会出现各种外部滥用：电滥用，如过充、过放等；热滥用，如高温、局部发热等；机械滥用，如撞击、挤压等。这些外部滥用会造成电池里面材料发生一系列连锁化学反应，电池里面温度快速提升，最高可达800摄氏度，导致电池起火或爆炸。

  如何科学、及时、准确地预判电池安全风险隐患，是当前电池安全领域的国际性科学难题。

  为攻克这一难题，研究团队提出一种可植入电池里面的高精度光纤传感器，在国际上率先实现对商业化锂电池热失控全过程的精准分析与提早预警。

  《自然-通讯》的一位审稿专家评价道，“该研究有助于电池健康状态监测，并在不可逆损害前发出预警信号。”

  因光纤传感器具备体积小、重量轻、耐受高温度高压力、耐受电解液腐蚀等优势，前人将其植入电池。但他们主要测量的是电池循环过程中的内部参数，从未涉足电池热失控监测领域。

  于是，王青松等人想将光纤植入电池里面，以监测电池热失控过程，并探索电池里面参数能否为电池热失控预警提供新思路。

  研究思路有了，做起来却非常难，因为现有的大多数光纤传感器无法在热失控过程中“幸存”。

  王青松解释说，电池热失控过程中，内部压力高达2MPa、温度高达500至800摄氏度，在这种高温度高压力的冲击下，光纤信号会中断，无法测得电池里面温度和压力数据。

  研究的关键是开发一款“健壮”的光纤传感器。他们与郭团团队联合攻关，多次改进光纤结构，开展热失控实验，反复修改和验证，最终通过对光纤进行套管保护，在保证内部信号传输的同时解决了光纤容易断的难题。

  “这款高精度光纤传感器总长度12毫米、直径125微米，能够植入商业18650电池，实时监测电池热失控期间的内部温度和压力影响。”王青松向《中国科学报》介绍了光纤传感器的结构。

  “就好比人们患病，当感知到疼痛时，往往为时已晚。这就像电池外部特征的变化一般都是滞后的。”王青松解释道，“而去医院体检，能够最终靠CT等看到内部器官变化，从而预知疾病的发生，并通过治疗方法阻止疾病逐步发展。但这种大型设备体积非常庞大，无法随时随地监测内部状态变化。如果在人体内植入芯片，就能做到实时跟踪预警。就像在电池里面植入光纤传感器，能做到实时监测预警。”

  值得一提的是，该研究通过解析压力和气温变化速率，首次发现温度和压力变化速率的转变点可作为电池热失控早期预警区间。该发现适用于不同电量的电池，能够在电池里面发生“不可逆反应”之前发出预警信号，保证了电池后续的安全使用。

  在王青松看来，光纤传感器尺寸小、形状灵活，具有抗电干扰性和远程操作的能力和适合大规模生产的标准制造技术，并能实现一根光纤在电池的多个位置同时监测温度、压力、气体组分、离子浓度等多种关键参数。光纤传感技术与电池的结合将在新能源汽车、储能电站安全监测等领域发挥重要作用。

  为此，研究团队将探索光纤传感器在大容量储能电池中的应用。“大容量储能电池热失控相比此次研究中的18650电池更加剧烈，并且其热失控特性和机理与小电池有所差异，这将是对我们研究的进一步考验。”王青松说。

  另一方面，团队将与电池制造商合作，希望在电池制作的步骤中植入光纤传感器，避免对电池二次破坏，加快光纤传感在储能和新能源汽车电池管理系统中的应用进程。