就電池而言酣栈，其內(nèi)部的電化學(xué)過(guò)程很難觀察到，因此汹押，不能直接準(zhǔn)確地描述電池的失效過(guò)程矿筝。由于電池內(nèi)部物理和電化學(xué)現(xiàn)象的高度復(fù)雜性，實(shí)時(shí)電極表面反應(yīng)信息的缺失鲸阻，有關(guān)于電池的實(shí)際狀態(tài)在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中的應(yīng)用非常有限跋涣。目前電池的檢測(cè)系統(tǒng)主要監(jiān)控諸如電壓、電流和外部溫度等參數(shù)鸟悴，以評(píng)估電池的荷電狀態(tài)和使用壽命陈辱。這些都不能提供電池內(nèi)部的物理和化學(xué)狀態(tài)的直接信息混合動(dòng)力汽車的應(yīng)用和高密度的能量存儲(chǔ)行業(yè)需要電池有更大的體積,電池的內(nèi)部和外部溫度之間的差異可以非常大。而分布式光纖傳感為內(nèi)部狀態(tài)的監(jiān)測(cè)提供了更多可能细诸。
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分布式光纖傳感在鋰電池中的監(jiān)測(cè)
一沛贪、鋰電池的檢測(cè)技術(shù)
電化學(xué)檢測(cè)法和物理檢測(cè)法常用于對(duì)鋰離子電池檢測(cè)，電化學(xué)檢測(cè)主要是看鋰離子電池在工作過(guò)程中輸出的電化學(xué)曲線是否與正常的工作曲線出現(xiàn)了不同震贵，來(lái)判斷電池工作的好壞利赋。而而物理檢測(cè)的方法是通過(guò)外部的觀測(cè)儀器或者檢測(cè)手段，來(lái)獲得鋰離子電池運(yùn)行狀態(tài)參量猩系，包括用一些仿真軟件媚送，模擬電池瞬態(tài)分布、工作電壓寇甸、液相擴(kuò)散塘偎、電流密度和總熱量的特征規(guī)律，尋找引起電池失效或者形變的關(guān)鍵位置拿霉。在鋰離子電池內(nèi)部吟秩，較高的溫度會(huì)導(dǎo)致較高的應(yīng)變變化，這是由于鋰離子在正電極和負(fù)電極間的快速傳輸引起的绽淘，由于電池材料的熱膨脹涵防，導(dǎo)致整個(gè)電池的形態(tài)發(fā)生變化。然而沪铭，電池內(nèi)部腐蝕性的化學(xué)環(huán)境對(duì)鋰離子電池溫度和應(yīng)變的檢測(cè)是一個(gè)挑戰(zhàn)壮池。光纖光柵是實(shí)現(xiàn)鋰離子電池測(cè)量的有效方法，與電子類相比伦意，使用光導(dǎo)纖維的優(yōu)點(diǎn)是布置方便火窒、響應(yīng)速度快、抗電磁干擾驮肉、低侵入性和體積小熏矿。
COMSOL有限元軟件中模擬的鋰電池組溫度梯度圖
二、光柵監(jiān)測(cè)原理
理想情況下的鋰離子電池是希望離子能夠在電極材料之間可逆地脫出和嵌入离钝，不發(fā)生電極片上材料消耗票编、電解液分解、金屬鋰的不可逆沉積等情況卵渴，然而實(shí)際電池中總有許多諸如上述類似的副反應(yīng)發(fā)生慧域，逐漸降低電池的使用性能，導(dǎo)致失效浪读。這個(gè)失效的過(guò)程無(wú)法使用傳統(tǒng)的傳感器檢測(cè)昔榴，如熱電偶或熱電阻辛藻，盡管對(duì)溫度的檢測(cè)可以告訴我們熱過(guò)程已經(jīng)被改變，但熱電阻無(wú)法告訴我們?cè)跓徇^(guò)程發(fā)生改變前互订，電池內(nèi)部的物理或結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生了怎樣的變化吱肌，即溫度檢測(cè)是結(jié)果反映，鋰電池內(nèi)部的狀態(tài)變化才是過(guò)程反映仰禽，如枝晶的生長(zhǎng)氮墨，材料的脫落，介質(zhì)膜的失效等等吐葵。將光柵植入鋰電池內(nèi)部规揪，這個(gè)過(guò)程是在制造鋰電池的過(guò)程中就已經(jīng)完成。通過(guò)監(jiān)測(cè)電池電壓和電流隨電池應(yīng)變和溫度的變化温峭，從形成前的初始分布應(yīng)變中提取電化學(xué)循環(huán)后獲得的應(yīng)變分布猛铅，計(jì)算出陽(yáng)極的不可逆應(yīng)變分布。同時(shí)觀察到陽(yáng)極的膨脹诚镰，它們之間奕坟、各個(gè)邊緣之間的斷面在形成后經(jīng)歷了機(jī)械壓縮。在形成過(guò)程中觀察到不可逆的負(fù)極結(jié)構(gòu)變形清笨。 這些結(jié)構(gòu)和溫度的變化數(shù)據(jù)月杉，一是可以修正COMSOL有限元模擬的模型，二是可以實(shí)際指導(dǎo)電極和儲(chǔ)能材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抠艾，這對(duì)于物理尺寸的設(shè)計(jì)是非常有用的苛萎。且使用的光柵越多，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位越密集检号，效果越好腌歉，光纖的尺寸為微米級(jí)，體積小齐苛，有助于在電池內(nèi)部的布局翘盖。
18650電池中傾斜光柵的布置示意
軟包鋰電池中布置方式
三、光纖光柵監(jiān)測(cè)技術(shù)與電池科學(xué)結(jié)合
應(yīng)用具有時(shí)間和空間分辨率的光纖傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池單元內(nèi)部各點(diǎn)溫度和應(yīng)變的同時(shí)監(jiān)測(cè)凹蜂。通過(guò)對(duì)電池單元的內(nèi)部熱和結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)可以提供有價(jià)值的信息馍驯，以進(jìn)一步了解電池性能下降的機(jī)理，觀察電極應(yīng)變和溫度造成的影響玛痊。光纖光柵傳感為電極材料的變化提供了進(jìn)一步的表征方法汰瘫，有助于優(yōu)化未來(lái)的電池設(shè)計(jì)。此外擂煞，電極應(yīng)變和溫度測(cè)量對(duì)于驗(yàn)證電池應(yīng)力和熱模型至關(guān)重要混弥，從而得到可以防止快速性能退化的可靠電池組設(shè)計(jì)《允。總體而言蝗拿，將光學(xué)傳感器如光纖光柵傳感器和傳統(tǒng)鋰電池研究方法進(jìn)行結(jié)合將顯著提高電池的安全性晾捏、可靠性、性能和壽命哀托。相信這一技術(shù)在未來(lái)會(huì)得到廣泛應(yīng)用粟瞬。
（聲明：本文部分圖表參考自CNKI或SPIE數(shù)據(jù)庫(kù)論文，期刊卷及DOI編號(hào)都已在引用部分標(biāo)出萤捆；本公司可提供分布式光纖傳感系統(tǒng)，配合各種工程實(shí)踐研究俗批，價(jià)格優(yōu)惠俗或，性能優(yōu)異，如有需要岁忘，歡迎采購(gòu)Ｐ廖俊）
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