手機(jī)爆炸、電動(dòng)汽車行駛或充電過程中的火災(zāi)事故在生活中經(jīng)常可見，讓人們在享受鋰電池帶來的便利的同時(shí)，也擔(dān)心其在安全方面的重大問題。如何降低這一風(fēng)險(xiǎn)？
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(tuán)隊(duì)與暨南大學(xué)教授郭團(tuán)團(tuán)隊(duì)研制出一款可植入電池內(nèi)部的高精度光纖傳感器。相關(guān)研究成果日前在線發(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?zé)崾Э厝^程內(nèi)部溫度和壓力，為快速切斷電池?zé)崾Э劓準(zhǔn)椒磻?yīng)提供預(yù)警手段。”王青松向《中國科學(xué)報(bào)》介紹。
破解國際性科學(xué)難題
手機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車中都有一個(gè)關(guān)鍵部件——鋰離子電池。隨著全球范圍內(nèi)能源危機(jī)的出現(xiàn)、“雙碳”目標(biāo)的驅(qū)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)汽車與新型儲能規(guī)模化發(fā)展的瓶頸。
研究表明，電池?zé)崾Э卦从陔姵貎?nèi)部一系列復(fù)雜且相互關(guān)聯(lián)的“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”。“這可以從電池內(nèi)部和外部兩方面討論。從內(nèi)部來看，電池由正負(fù)極、電解液、隔膜等組成，其中電解液和隔膜都是易燃物，正負(fù)極和電解液在一定溫度下又會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生熱量和可燃?xì)怏w。也就是說，電池內(nèi)部本身就是一個(gè)熱不穩(wěn)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(xiàn)各種外部濫用：電濫用，如過充、過放等；熱濫用，如高溫、局部發(fā)熱等；機(jī)械濫用，如撞擊、擠壓等。這些外部濫用會造成電池內(nèi)部材料發(fā)生一系列連鎖化學(xué)反應(yīng)，電池內(nèi)部溫度快速提升，最高可達(dá)800攝氏度，導(dǎo)致電池起火或爆炸。
如何科學(xué)、及時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)判電池安全隱患，是當(dāng)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(tuán)隊(duì)提出一種可植入電池內(nèi)部的高精度光纖傳感器，在國際上率先實(shí)現(xiàn)對商業(yè)化鋰電池?zé)崾Э厝^程的精準(zhǔn)分析與提早預(yù)警。
《自然-通訊》的一位審稿專家評價(jià)道，“該研究有助于電池健康狀態(tài)監(jiān)測，并在不可逆損害前發(fā)出預(yù)警信號。”
小巧光纖實(shí)時(shí)監(jiān)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)過程中的內(nèi)部參數(shù)，從未涉足電池?zé)崾Э乇O(jiān)測領(lǐng)域。
于是，王青松等人想將光纖植入電池內(nèi)部，以監(jiān)測電池?zé)崾Э剡^程，并探索電池內(nèi)部參數(shù)能否為電池?zé)崾Э仡A(yù)警提供新思路。
研究思路有了，做起來卻非常難，因?yàn)楝F(xiàn)有的大多數(shù)光纖傳感器無法在熱失控過程中“幸存”。
王青松解釋說，電池?zé)崾Э剡^程中，內(nèi)部壓力高達(dá)2MPa、溫度高達(dá)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(nèi)部溫度和壓力數(shù)據(jù)。
研究的關(guān)鍵是開發(fā)一款“健壯”的光纖傳感器。他們與郭團(tuán)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合攻關(guān)，多次改進(jìn)光纖結(jié)構(gòu)，開展熱失控實(shí)驗(yàn)，反復(fù)修改和驗(yàn)證，最終通過對光纖進(jìn)行套管保護(hù)，在保證內(nèi)部信號傳輸?shù)耐瑫r(shí)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(yè)18650電池，實(shí)時(shí)監(jiān)測電池?zé)崾Э仄陂g的內(nèi)部溫度和壓力影響。”王青松向《中國科學(xué)報(bào)》介紹了光纖傳感器的結(jié)構(gòu)。
相比現(xiàn)有的外部監(jiān)測技術(shù)，內(nèi)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(dāng)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。”王青松解釋道，“而去醫(yī)院體檢，可以通過CT等看到內(nèi)部器官變化，從而預(yù)知疾病的發(fā)生，并通過治療手段阻止疾病進(jìn)一步發(fā)展。但這種大型設(shè)備體積龐大，無法隨時(shí)隨地監(jiān)測內(nèi)部狀態(tài)變化。如果在人體內(nèi)植入芯片，就可以做到實(shí)時(shí)跟蹤預(yù)警。就像在電池內(nèi)部植入光纖傳感器，可以做到實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)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(fā)現(xiàn)溫度和壓力變化速率的轉(zhuǎn)變點(diǎn)可作為電池?zé)崾Э卦缙陬A(yù)警區(qū)間。該發(fā)現(xiàn)適用于不同電量的電池，能夠在電池內(nèi)部發(fā)生“不可逆反應(yīng)”之前發(fā)出預(yù)警信號，保證了電池后續(xù)的安全使用。
用于同時(shí)監(jiān)測電池內(nèi)溫度和壓力的FBG/FPI傳感器工作原理
適合大規(guī)模推行量產(chǎn)
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(yuǎn)程操作的能力和適合大規(guī)模生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)制造技術(shù)，并且可以實(shí)現(xiàn)一根光纖在電池的多個(gè)位置同時(shí)監(jiān)測溫度、壓力、氣體組分、離子濃度等多種關(guān)鍵參數(shù)。光纖傳感技術(shù)與電池的結(jié)合將在新能源汽車、儲能電站安全監(jiān)測等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
為此，研究團(tuán)隊(duì)將探索光纖傳感器在大容量儲能電池中的應(yīng)用。“大容量儲能電池?zé)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(jī)理與小電池有所差異，這將是對我們研究的進(jìn)一步考驗(yàn)。”王青松說。
另一方面，團(tuán)隊(duì)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(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)程。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40995-3
