中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
手機爆炸、電動(dòng)汽車(chē)行駛或充電過(guò)程中的火災事故在生活中經(jīng)?？梢?jiàn)，讓人們在享受鋰電池帶來(lái)的便利的同時(shí)，也擔心其在安全方面的重大問(wèn)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部的高精度光纖傳感器。相關(guān)研究成果日前在線(xiàn)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，同步測量出電池熱失控全過(guò)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?！蓖跚嗨山榻B。
破解國際性科學(xué)難題
手機、筆記本電腦、電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)中都有一個(gè)關(guān)鍵部件——鋰離子電池。隨著(zhù)全球范圍內能源危機的出現、“雙碳”目標的驅動(dòng)，鋰離子電池產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。
然而，鋰離子電池常常會(huì )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(dòng)汽車(chē)與新型儲能規?；l(fā)展的瓶頸。
研究表明，電池熱失控源于電池內部一系列復雜且相互關(guān)聯(lián)的“鏈式反應”?！斑@可以從電池內部和外部?jì)煞矫嬗懻?。從內部?lái)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(huì )產(chǎn)生化學(xué)反應，進(jìn)而產(chǎn)生熱量和可燃氣體。也就是說(shuō)，電池內部本身就是一個(gè)熱不穩定的體系?！蓖跚嗨烧f(shuō)。
從外部來(lái)看，電池在使用過(guò)程中容易出現各種外部濫用：電濫用，如過(guò)充、過(guò)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(huì )造成電池內部材料發(fā)生一系列連鎖化學(xué)反應，電池內部溫度快速提升，最高可達800攝氏度，導致電池起火或爆炸。
如何科學(xué)、及時(shí)、準確地預判電池安全隱患，是當前電池安全領(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部的高精度光纖傳感器，在國際上率先實(shí)現對商業(yè)化鋰電池熱失控全過(guò)程的精準分析與提早預警。
《自然-通訊》的一位審稿專(zhuān)家評價(jià)道，“該研究有助于電池健康狀態(tài)監測，并在不可逆損害前發(fā)出預警信號?！?/p>
小巧光纖實(shí)時(shí)監測電池健康狀態(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(guò)程中的內部參數，從未涉足電池熱失控監測領(lǐng)域。
于是，王青松等人想將光纖植入電池內部，以監測電池熱失控過(guò)程，并探索電池內部參數能否為電池熱失控預警提供新思路。
研究思路有了，做起來(lái)卻非常難，因為現有的大多數光纖傳感器無(wú)法在熱失控過(guò)程中“幸存”。
王青松解釋說(shuō)，電池熱失控過(guò)程中，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(huì )中斷，無(wú)法測得電池內部溫度和壓力數據。
研究的關(guān)鍵是開(kāi)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(jìn)光纖結構，開(kāi)展熱失控實(shí)驗，反復修改和驗證，最終通過(guò)對光纖進(jìn)行套管保護，在保證內部信號傳輸的同時(shí)解決了光纖容易斷的難題。
“這款高精度光纖傳感器總長(cháng)度12毫米、直徑125毫米，能夠植入商業(yè)18650電池，實(shí)時(shí)監測電池熱失控期間的內部溫度和壓力影響?！蓖跚嗨山榻B了光纖傳感器的結構。
相比現有的外部監測技術(shù)，內部光纖傳感技術(shù)更具有及時(shí)性、靈活性。
“就好比人們患病，當感知到疼痛時(shí)，往往為時(shí)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?，“而去醫院體檢，可以通過(guò)CT等看到內部器官變化，從而預知疾病的發(fā)生，并通過(guò)治療手段阻止疾病進(jìn)一步發(fā)展。但這種大型設備體積龐大，無(wú)法隨時(shí)隨地監測內部狀態(tài)變化。如果在人體內植入芯片，就可以做到實(shí)時(shí)跟蹤預警。就像在電池內部植入光纖傳感器，可以做到實(shí)時(shí)監測預警?！?/p>
值得一提的是，該研究通過(guò)解析壓力和溫度變化速率，首次發(fā)現溫度和壓力變化速率的轉變點(diǎn)可作為電池熱失控早期預警區間。該發(fā)現適用于不同電量的電池，能夠在電池內部發(fā)生“不可逆反應”之前發(fā)出預警信號，保證了電池后續的安全使用。
用于同時(shí)監測電池內溫度和壓力的FBG/FPI傳感器工作原理
適合大規模推行量產(chǎn)
在王青松看來(lái)，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模生產(chǎn)的標準制造技術(shù)，并且可以實(shí)現一根光纖在電池的多個(gè)位置同時(shí)監測溫度、壓力、氣體組分、離子濃度等多種關(guān)鍵參數。光纖傳感技術(shù)與電池的結合將在新能源汽車(chē)、儲能電站安全監測等領(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?jì)δ茈姵刂械膽??！按笕萘績(jì)δ茈姵責崾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(jìn)一步考驗?！蓖跚嗨烧f(shuō)。
另一方面，團隊將與電池制造商合作，希望在電池制作過(guò)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(chē)電池管理系統中的應用進(jìn)程。
