植入光纖傳感器為電池做“體檢”

手機、筆記本電腦、電動自行車、電動汽車中都有一個關鍵部件——鋰離子電池。然而，鋰離子電池常常會發生爆炸，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模化發展的瓶頸。

如何科學、及時、準確地預判電池安全隱患，是當前電池安全領域的國際性科學難題。為攻克這一難題，中國科學技術大學教授孫金華、研究員王青松團隊與暨南大學教授郭團團隊研制出一款可植入電池內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、高壓環境下正常工作，同步測量出電池熱失控全過程內部溫度和壓力，為快速切斷電池熱失控鏈式反應提供預警手段。

將光纖植入電池，并非王青松等人首創。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勢，前人曾將其植入電池。但他們主要測量的是電池循環過程中的內部參數，從未涉足電池熱失控監測領域。于是，王青松等人想將光纖植入電池內部，以監測電池熱失控過程，并探索電池內部參數能否為電池熱失控預警提供新思路。

研究思路有了，做起來卻非常難，因為現有的大多數光纖傳感器無法在熱失控過程中“幸存”。電池熱失控過程中，內部壓力高達2MPa、溫度高達500至800攝氏度，在這種高溫高壓的沖擊下，光纖信號會中斷，無法測得電池內部溫度和壓力數據。研究的關鍵是開發一款“健壯”的光纖傳感器。他們多次改進光纖結構，開展熱失控實驗，反復修改和驗證，最終通過對光纖進行套管保護，在保證內部信號傳輸的同時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18650電池，實時監測電池熱失控期間的內部溫度和壓力影響。

值得一提的是，該研究通過解析壓力和溫度變化速率，首次發現溫度和壓力變化速率的轉變點可作為電池熱失控早期預警區間。該發現適用于不同電量的電池，能夠在電池內部發生“不可逆反應”之前發出預警信號，保證了電池后續的安全使用。

（來源：《中國科學報》）