王青松/郭团Nature子刊：通过先进的纤维实验室技术监测商用锂离子电池的热失控

在热失控过程中对可充电锂离子电池内部复杂的物理和化学活动进行运行监测，对于了解热失控机理和提供安全相关故障的早期预警至关重要。然而，现有的大多数传感器都无法在这种极其危险的热失控过程（温度高达 500 ℃，并伴有火灾和爆炸）中正常工作。

在此，中国科学技术大学王青松、暨南大学郭团等人开发了一种紧凑型多功能光纤传感器（长度为12mm，直径为125µm），能够插入商用18650电池中，以连续监测电池热失控期间的内部温度和压力影响。观察到电池热失控和光学响应之间存在稳定且可重复的相关性。传感器的信号显示两个内部压力峰值，对应于安全通风和热失控的启动。

进一步的分析表明，预测即将发生的热失控的一个可扩展的解决方案是检测电池温度和压力微分曲线的突变范围，这对应于电池可逆和不可逆反应之间的内部转换。通过在安全泄压之前发出警报，这种新的原位测量工具可以提供电池安全评估和热失控警告方面的关键功能。

图1. 电池热失控测量的实验装置

总之，该工作利用提出的光纤传感器，成功地实现了对商用锂离子电池在热失控前和热失控过程中的内部温度和压力的现场操作性连续监测和精确解码，而不会干扰电池的运行。此外，我们还观察到并精确量化了电池热失控与光学响应之间稳定且可重复的相关性。该传感器提供了一种可扩展的解决方案，可在安全排气前根据温度和压力差曲线的斜率变化确定热失控的安全预警范围。所提出的 FBG-FPI 光纤传感器在电池热失控之前、期间和之后都具有出色的传感特性和高再现性。它们体积小，形状灵活，具有抗电干扰能力和远程操作能力，可采用标准制造技术进行批量生产。

因此，通过融合电化学、传感技术和数据科学之间真正的多学科努力，新型嵌入式光纤实验室传感器将能够持续监测电池的健康和安全状态，并将促进更可靠的电池系统。可以通过一根光纤在电池的多个位置以原位方式同时监测各种关键参数，包括温度、压力、折射率、气体和离子浓度。这提供了迄今为止无法实现的原位安全性关键能力以及有关电池健康状态和演变的补充信息。鉴于所需组件的光电集成潜力，设想这些技术在电动汽车等大众市场应用中的广泛使用并非不可想象。

图2. 热失控机制和建立即将发生的电池损伤的早期预警

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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