【儀表網 研發快訊】近日，中國科學技術大學孫金華教授和王青松研究員團隊與暨南大學郭團教授團隊在鋰離子電池熱失控光纖檢測早期預警領域取得重要成果。成功研制出可植入電池內部的高精度、多模態集成光纖器，率先實現了對商業化鋰電池熱失控全過程的精準分析與早期預警。相關研究成果以“Operando monitoring of thermal runaway in commercial lithium-ion cells via advanced lab-on-fiber technologies”為題，于8月29日在線發表在《Nature Communications》期刊上。(買儀表，賣儀表就上儀表網！ 找產品、看訂單…一站式全搞定！)
 

　　隨著全球范圍內能源危機的出現，并在“雙碳”目標驅動下，鋰離子電池獲得了蓬勃發展，然而電池熱失控被喻為威脅電池安全的“癌癥”，是制約電動汽車與新型儲能規模化發展的核心瓶頸。因此亟需深入理解鋰離子電池熱失控演變機制，并提出早期預警策略以防止火災爆炸事故的發生。導致電池熱失控的根源，是電池內部一系列復雜且相互關聯的“鏈式副反應”。最具代表性的鏈式反應包括：外部電、熱、機械濫用→內部產熱→SEI膜分解→負極與電解液反應、產氣→隔膜熔化→內部短路→安全閥開啟→正極與電解液反應、產氣→電解液分解、產氣→電解液、氣體燃燒→起火爆炸！從局部短路到大面積短路，電池內部溫度快速提升，可高達800℃以上，引發電池起火爆炸。
 

　　由此可見，“溯源電池熱失控發生的內在誘因，厘清各分步反應之間的耦聯關系，揭示熱失控主導機制與動力學規律，前移熱失控預警時間窗口”是從根本上解決儲能安全問題的核心。然而，由于電池的密閉結構和內部復雜的反應機制，電池內部核心狀態參量檢測的準確性和實時性無法保證。最新報道的具有“透視”檢測能力的科學儀器(如中子衍射、X射線衍射、冷凍電鏡等)，由于儀器體積龐大、價格昂貴，無法應用于電池使用終端。如何科學、及時、準確地預判電池安全隱患，成為當前電池安全領域的國際性科學難題。
 

　　為攻克這一難題，該團隊提出了一種可植入電池內部的多模態集成光纖原位監測技術，在國際上率先實現了對商業化鋰電池熱失控全過程的精準分析與提早預警。該聯合團隊設計并成功研制出可在1000℃的高溫高壓環境下正常工作的多模態集成光纖傳感器，實現了對電池熱失控全過程內部溫度和壓力的同步精準測量，攻克了熱失控極端環境下溫度與壓力信號相互串擾的難題，提出解耦電池產熱和氣壓變化速率的新方法，首次發現了觸發電池熱失控鏈式反應的特征拐點與共性規律，實現了對電池內部微觀“不可逆反應”的精準判別，為快速切斷電池熱失控鏈式反應、保障電池在安全區間運行提供了重要手段。
 

　　在未來，鑒于光纖傳感器尺寸小、形狀靈活、具有抗電干擾性和遠程操作能力，適合大規模生產的標準制造技術，且可以實現一根光纖在電池的多個位置同時監測溫度、壓力、折射率、氣體組分和離子濃度等多種關鍵參數。光纖傳感技術與電池的結合將會在新能源汽車、儲能電站安全檢測等領域發揮重要作用。
 

圖 光纖原位監測電池熱失控內部特征及早期預警區間的建立
 

　　中國科學技術大學王青松研究員與暨南大學郭團教授為論文的共同通訊作者，中國科學技術大學博士后梅文昕和暨南大學碩士研究生劉誌為論文的共同第一作者，該工作由中國科學技術大學、暨南大學、加拿大國家研究委員會、香港理工大學及卡爾頓大學相關團隊合作完成。
 

　　該研究工作得到了國家自然科學基金、中國科學院青年創新促進會、廣東省特支計劃科技創新領軍人才、國家博新計劃等資助。(原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40995-3  火災科學國家重點實驗室，科研部)