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王青松/郭團Nature子刊：通過先進的纖維實驗室技術監測商用鋰離子電池的熱失控

在熱失控過程中對可充電鋰離子電池內部復雜的物理和化學活動進行運行監測，對于了解熱失控機理和提供安全相關故障的早期預警至關重要。然而，現有的大多數傳感器都無法在這種極其危險的熱失控過程（溫度高達 500 ℃，并伴有火災和爆炸）中正常工作。

在此，中國科學技術大學王青松、暨南大學郭團等人開發了一種緊湊型多功能光纖傳感器（長度為12mm，直徑為125μm），能夠插入商用18650電池中，以連續監測電池熱失控期間的內部溫度和壓力影響。觀察到電池熱失控和光學響應之間存在穩定且可重復的相關性。傳感器的信號顯示兩個內部壓力峰值，對應于安全通風和熱失控的啟動。

進一步的分析表明，預測即將發生的熱失控的一個可擴展的解決方案是檢測電池溫度和壓力微分曲線的突變范圍，這對應于電池可逆和不可逆反應之間的內部轉換。通過在安全泄壓之前發出警報，這種新的原位測量工具可以提供電池安全評估和熱失控警告方面的關鍵功能。

圖1. 電池熱失控測量的實驗裝置

總之，該工作利用提出的光纖傳感器，成功地實現了對商用鋰離子電池在熱失控前和熱失控過程中的內部溫度和壓力的現場操作性連續監測和精確解碼，而不會干擾電池的運行。此外，我們還觀察到并精確量化了電池熱失控與光學響應之間穩定且可重復的相關性。該傳感器提供了一種可擴展的解決方案，可在安全排氣前根據溫度和壓力差曲線的斜率變化確定熱失控的安全預警范圍。所提出的 FBG-FPI 光纖傳感器在電池熱失控之前、期間和之后都具有出色的傳感特性和高再現性。它們體積小，形狀靈活，具有抗電干擾能力和遠程操作能力，可采用標準制造技術進行批量生產。

因此，通過融合電化學、傳感技術和數據科學之間真正的多學科努力，新型嵌入式光纖實驗室傳感器將能夠持續監測電池的健康和安全狀態，并將促進更可靠的電池系統。可以通過一根光纖在電池的多個位置以原位方式同時監測各種關鍵參數，包括溫度、壓力、折射率、氣體和離子濃度。這提供了迄今為止無法實現的原位安全性關鍵能力以及有關電池健康狀態和演變的補充信息。鑒于所需組件的光電集成潛力，設想這些技術在電動汽車等大眾市場應用中的廣泛使用并非不可想象。

圖2. 熱失控機制和建立即將發生的電池損傷的早期預警

Operando monitoring of thermal runaway in commercial lithium-ion cells via advanced lab-on-fiber technologies, Nature Communications 2023 DOI: 10.1038/s41467-023-40995-3

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王青松/郭團Nature子刊：通過先進的纖維實驗室技術監測商用鋰離子電池的熱失控

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