作者:王敏 来源:中国科学报 发布时间:2023/10/4 17:35:24
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植入光纤传感器为电池做“体检”

 

手机爆炸,电动汽车行驶或充电过程中起火引起的火灾事故在生活中经常可见,令人担忧。

近日,中国科学技术大学孙金华教授、王青松研究员团队与暨南大学郭团教授团队研制出一款可植入电池内部的高精度光纤传感器。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可以在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。

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中国科大孙金华教授、王青松研究员(中)团队合影 课题组供图

破解国际性科学难题

手机、笔记本电脑、电动自行车、电动汽车……这些常用的物品里都有一个关键部件——锂离子电池。随着全球范围内能源危机的出现,并在“双碳”目标驱动下,锂离子电池获得迅速发展。

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

研究表明,电池热失控源于电池内部一系列复杂且相互关联的“链式反应”。王青松说,“这可以从电池内部和外部两方面讨论。电池是由正负极、电解液、隔膜等组成,其中电解液和膈膜都是易燃物,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,电池内部本身就是一个热不稳定的体系。”

从外部来看,电池在使用过程中容易受到外部的电滥用(如过充、过放等)、热滥用(高温、局部发热)、机械滥用(撞击、挤压等),这些外部滥用会造成电池内部材料发生一系列连锁化学反应,电池内部温度快速提升,最高可达800摄氏度以上,引发电池起火爆炸。

如何科学、及时、准确地预判电池安全隐患,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内部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》一位审稿专家评价此次工作,称“该研究有助于电池健康状态监测并且在不可逆损害前发出预警信号”。

小巧光纤实时监测电池健康状态

将光纤植入电池,并非王青松等人首创。

光纤传感器因具备体积小、重量轻、耐受高温高压、耐受电解液腐蚀等优势,前人研究中已经将其植入电池。不同地是,他们主要测量的是电池循环过程中的内部参数,却从未涉足电池热失控监测领域。

于是,王青松等人猜想将光纤植入电池内部,能否监测电池热失控过程?电池内部参数能否为电池热失控预警提供新的思路?

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,电池热失控往往伴随着剧烈的气压和温度,内部压力高达2MPa,温度高达500至800摄氏度,在这种高温高压的冲击下,光纤信号会中断,也就无法测到电池内部温度和压力数据。

研究的关键是开发一款“健壮”的光纤传感器。他们与郭团联合攻关,多次改进光纤结构,开展热失控实验,进行反复修改和验证。最终,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》展示光纤传感器的结构。

相比现有的外部监测技术,内部光纤传感技术更具有及时性、灵活性。

“就好比我们人体生病,当我们感知到疼痛时,往往为时已晚。这也就对应着电池外部特征的变化,一般都是滞后的。而当我们做体检,在医院做CT时,可以看到内部器官的变化,提前预知疾病的发生,并且采取治疗手段阻止疾病进一步发展,但这种大型设备体积庞大,无法随时随地监测内部状态的变化。如果可以在人体内植入芯片,对应着在电池内部植入光纤传感器,就可以实时跟踪体内器官、血液、细胞等状态变化,在发生病变前进行早期预警、诊断,保障人体健康。”王青松打了一个比方。

值得一提的是,此次研究通过解析压力和温度变化速率,首次发现温度和压力变化速率的转变点作为电池热失控早期预警区间,该方法适用于不同电量的电池,能够在电池内部发生“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。

适合大规模推行量产

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能力,适合大规模生产的标准制造技术,并且可以实现一根光纤在电池的多个位置同时监测温度、压力、气体组分和离子浓度等多种关键参数。光纤传感技术与电池的结合将会在新能源汽车、储能电站安全监测等领域发挥重要作用。

为此,在未来,一方面,研究团队将尝试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对于此次研究中18650电池更加剧烈,并且其热失控特性和机理也与小电池有所差异,这将是对我们研究的进一步考验。”王青松说。

另一方面,他们将与电池制造商寻求合作,希望在电池制作过程中植入光纤传感器,避免对电池的二次破坏,加速光纤传感应用于储能和新能源汽车电池管理系统中的应用进程。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-023-40995-3

 
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