植入光纖傳感器為電池做“體檢”

手機(jī)、筆記本電腦、電動自行車、電動汽車中都有一個關(guān)鍵部件——鋰離子電池。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”，是制約電動汽車與新型儲能規(guī)?；l(fā)展的瓶頸。

如何科學(xué)、及時、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，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授孫金華、研究員王青松團(tuán)隊與暨南大學(xué)教授郭團(tuán)團(tuán)隊研制出一款可植入電池內(nèi)部的高精度光纖傳感器。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。

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，前人曾將其植入電池。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，因為現(xiàn)有的大多數(shù)光纖傳感器無法在熱失控過程中“幸存”。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。他們多次改進(jìn)光纖結(jié)構(gòu)，開展熱失控實驗，反復(fù)修改和驗證，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微米，能夠植入商業(yè)18650電池，實時監(jiān)測電池?zé)崾Э仄陂g的內(nèi)部溫度和壓力影響。

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。

（來源：《中國科學(xué)報》）