中國科大：植入光纖傳感器，為電池做“體檢”

　　手機爆炸，電動汽車行駛或充電過程中起火引起的火災事故在生活中經常可見，令人擔憂。

　　近日，中國科學技術大學孫金華教授、王青松研究員團隊與暨南大學郭團教授團隊研制出一款可植入電池內部的高精度光纖傳感器。研究成果日前在線發表于《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境下正常工作，同步測量出電池熱失控全過程內部溫度和壓力，為快速切斷電池熱失控鏈式反應提供預警手段。”王青松向《中國科學報》介紹。

　　中國科大孫金華教授、王青松研究員（中）團隊合影 

　　破解國際性科學難題

　　手機、筆記本電腦、電動自行車、電動汽車……這些常用的物品里都有一個關鍵部件——鋰離子電池。隨著全球范圍內能源危機的出現，并在“雙碳”目標驅動下，鋰離子電池獲得迅速發展。

　　然而，鋰離子電池常常會發生爆炸，也就是熱失控。它被喻為威脅電池安全的“癌癥”，是制約電動汽車與新型儲能規模化發展的核心瓶頸。

　　研究表明，電池熱失控源于電池內部一系列復雜且相互關聯的“鏈式反應”。王青松說，“這可以從電池內部和外部兩方面討論。電池是由正負極、電解液、隔膜等組成，其中電解液和膈膜都是易燃物，正負極和電解液在一定溫度下又會產生化學反應，進而產生熱量和可燃氣體。也就是說，電池內部本身就是一個熱不穩定的體系。”

　　從外部來看，電池在使用過程中容易受到外部的電濫用（如過充、過放等）、熱濫用（高溫、局部發熱）、機械濫用（撞擊、擠壓等），這些外部濫用會造成電池內部材料發生一系列連鎖化學反應，電池內部溫度快速提升，最高可達800攝氏度以上，引發電池起火爆炸。

　　如何科學、及時、準確地預判電池安全隱患，是當前電池安全領域的國際性科學難題。

　　為攻克這一難題，研究團隊提出一種可植入電池內部的高精度光纖傳感器，在國際上率先實現對商業化鋰電池熱失控全過程的精準分析與提早預警。

　　《自然-通訊》一位審稿專家評價此次工作，稱“該研究有助于電池健康狀態監測并且在不可逆損害前發出預警信號”。

　　小巧光纖實時監測電池健康狀態

　　將光纖植入電池，并非王青松等人首創。

　　光纖傳感器因具備體積小、重量輕、耐受高溫高壓、耐受電解液腐蝕等優勢，前人研究中已經將其植入電池。不同地是，他們主要測量的是電池循環過程中的內部參數，卻從未涉足電池熱失控監測領域。

　　于是，王青松等人猜想將光纖植入電池內部，能否監測電池熱失控過程？電池內部參數能否為電池熱失控預警提供新的思路？

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

　　王青松解釋說，電池熱失控往往伴隨著劇烈的氣壓和溫度，內部壓力高達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，也就無法測到電池內部溫度和壓力數據。

　　研究的關鍵是開發一款“健壯”的光纖傳感器。他們與郭團聯合攻關，多次改進光纖結構，開展熱失控實驗，進行反復修改和驗證。最終，對光纖進行套管保護，在保證內部信號傳輸的同時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18650電池，實時監測電池熱失控期間的內部溫度和壓力影響。”王青松向《中國科學報》展示光纖傳感器的結構。

　　相比現有的外部監測技術，內部光纖傳感技術更具有及時性、靈活性。

　　“就好比我們人體生病，當我們感知到疼痛時，往往為時已晚。這也就對應著電池外部特征的變化，一般都是滯后的。而當我們做體檢，在醫院做CT時，可以看到內部器官的變化，提前預知疾病的發生，并且采取治療手段阻止疾病進一步發展，但這種大型設備體積龐大，無法隨時隨地監測內部狀態的變化。如果可以在人體內植入芯片，對應著在電池內部植入光纖傳感器，就可以實時跟蹤體內器官、血液、細胞等狀態變化，在發生病變前進行早期預警、診斷，保障人體健康。”王青松打了一個比方。

　　值得一提的是，此次研究通過解析壓力和溫度變化速率，首次發現溫度和壓力變化速率的轉變點作為電池熱失控早期預警區間，該方法適用于不同電量的電池，能夠在電池內部發生“不可逆反應”之前發出預警信號，保證了電池后續的安全使用。

　　適合大規模推行量產

　　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能力，適合大規模生產的標準制造技術，并且可以實現一根光纖在電池的多個位置同時監測溫度、壓力、氣體組分和離子濃度等多種關鍵參數。光纖傳感技術與電池的結合將會在新能源汽車、儲能電站安全監測等領域發揮重要作用。

　　為此，在未來，一方面，研究團隊將嘗試光纖傳感器在大容量儲能電池中的應用。“大容量儲能電池熱失控相對于此次研究中18650電池更加劇烈，并且其熱失控特性和機理也與小電池有所差異，這將是對我們研究的進一步考驗。”王青松說。

　　另一方面，他們將與電池制造商尋求合作，希望在電池制作過程中植入光纖傳感器，避免對電池的二次破壞，加速光纖傳感應用于儲能和新能源汽車電池管理系統中的應用進程。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40995-3