手機爆炸、電動汽車行駛或充電過程中的火災事故在生活中經常可見，讓人們在享受鋰電池帶來的便利的同時，也擔心其在安全方面的重大問題。如何降低這一風險？

近日，中國科學技術大學教授孫金華、研究員王青松團隊與暨南大學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。

破解國際性科學難題

手機、筆記本電腦、電動自行車、電動汽車中都有一個關鍵部件——鋰離子電池。隨著全球范圍內能源危機的出現、“雙碳”目標的驅動，鋰離子電池產業迅速發展。

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

研究表明，電池熱失控源于電池內部一系列復雜且相互關聯的“鏈式反應”。“這可以從電池內部和外部兩方面討論。從內部來看，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。”王青松說。

從外部來看，電池在使用過程中容易出現各種外部濫用：電濫用，如過充、過放等；熱濫用，如高溫、局部發熱等；機械濫用，如撞擊、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，導致電池起火或爆炸。

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》的一位審稿專家評價道，“該研究有助于電池健康狀態監測，并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。

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勢，前人將其植入電池。但他們主要測量的是電池循環過程中的內部參數，從未涉足電池熱失控監測領域。

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，電池熱失控過程中，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，光纖信號會中斷，無法測得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。他們與郭團團隊聯合攻關，多次改進光纖結構，開展熱失控實驗，反復修改和驗證，最終通過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》介紹了光纖傳感器的結構。

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。

“就好比人們患病，當感知到疼痛時，往往為時已晚。這就像電池外部特征的變化一般都是滯后的。”王青松解釋道，“而去醫院體檢，可以通過CT等看到內部器官變化，從而預知疾病的發生，并通過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變化。如果在人體內植入芯片，就可以做到實時跟蹤預警。就像在電池內部植入光纖傳感器，可以做到實時監測預警。”

值得一提的是，該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可作為電池熱失控早期預警區間。該發現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的能力和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、離子濃度等多種關鍵參數。光纖傳感技術與電池的結合將在新能源汽車、儲能電站安全監測等領域發揮重要作用。

為此，研究團隊將探索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比此次研究中的18650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一步考驗。”王青松說。

另一方面，團隊將與電池制造商合作，希望在電池制作過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