近年來，可充電電池在消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車和大規(guī)模能源儲(chǔ)存系統(tǒng)中得到了迅速發(fā)展，特別是電動(dòng)汽車的爆發(fā)式增長使電池的質(zhì)量、可靠性和壽命（QRL）成為更加關(guān)鍵的因素。為了保證電池的長期使用和良好性能，電池管理系統(tǒng)（BMS）的發(fā)展至關(guān)重要，而BMS的準(zhǔn)確性依賴于對(duì)電池關(guān)鍵參數(shù)（如電壓、電流和溫度）的精確監(jiān)測(cè)。然而，傳統(tǒng)的BMS僅能監(jiān)測(cè)這些外部參數(shù)，無法有效反映電池內(nèi)部狀態(tài)，且現(xiàn)有技術(shù)難以滿足日益增長的電池健康監(jiān)測(cè)需求。為解決這一問題，新的電池傳感技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，要求具備高靈敏度、多功能、小型化以及易于實(shí)現(xiàn)等特性。這些技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更多參數(shù)的精確測(cè)量，從而更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)電池的健康狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)老化跡象。新技術(shù)還可以幫助研究人員深入理解電池中的法拉第化學(xué)過程、相變以及電子和離子傳輸?shù)痊F(xiàn)象，有助于優(yōu)化性能并推動(dòng)新型高能量密度電池的研發(fā)，如鋰硫電池、鋰空氣電池和固態(tài)電池。


光纖傳感器近年來因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而受到廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)電氣傳感器相比，光纖傳感器體積小、化學(xué)惰性強(qiáng)，適合在電池表面或內(nèi)部大規(guī)模部署。它們具有高靈敏度，能夠檢測(cè)多種參數(shù)，如溫度、應(yīng)變、應(yīng)力，甚至電解液的折射率等，還具備強(qiáng)大的多路復(fù)用能力，可以在單根光纖上集成多個(gè)傳感器，監(jiān)測(cè)電池的不同位置和不同參數(shù)。國家杰青黃云輝教授在本文中：綜述了光纖傳感器在電池監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了四個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：溫度、應(yīng)變/應(yīng)力、電解液的折射率（RI）和電池中關(guān)鍵材料的光譜特征。并探討了這些參數(shù)與電池的充電狀態(tài)（SOC）和健康狀態(tài)（SOH）之間的關(guān)系。通過對(duì)多種光學(xué)方法的討論，包括傳感器埋入電池內(nèi)部或外部附加的方式，本文也試圖揭示光學(xué)電池傳感技術(shù)在大規(guī)模管理和商業(yè)化應(yīng)用中的發(fā)展方向。

隨著“智能電池”概念的提出，可充電電池的實(shí)時(shí)傳感在基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用中變得越來越重要。然而，許多傳統(tǒng)的傳感技術(shù)存在靈敏度低、體積大和電磁干擾等問題，使其在電池的復(fù)雜且嚴(yán)苛的電化學(xué)環(huán)境中無法使用。光學(xué)傳感器作為一種替代方案，可以實(shí)現(xiàn)多參數(shù)、多點(diǎn)同時(shí)測(cè)量，因此受到了廣泛關(guān)注。通過分析這些測(cè)量參數(shù)，可以解碼出所關(guān)注的狀態(tài)，從而監(jiān)測(cè)電池的健康狀況。國家杰青黃云輝教授團(tuán)隊(duì)在本文中綜述了光學(xué)傳感技術(shù)在電池中的最新進(jìn)展，涉及各種傳感參數(shù)，并討論了光纖傳感器的當(dāng)前局限性及其未來發(fā)展方向。

? 綜合總結(jié)和分析了光纖傳感技術(shù)在電池中的應(yīng)用。

? 介紹最近測(cè)量關(guān)鍵參數(shù)方面進(jìn)展，以解決電池健康監(jiān)測(cè)中的關(guān)鍵問題。

? 展望了光纖傳感技術(shù)在電池監(jiān)測(cè)中的未來發(fā)展和應(yīng)用。

溫度測(cè)量

溫度是電池及大電池組中一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，與電池的健康和安全密切相關(guān)。電池在不同溫度下表現(xiàn)差異，適當(dāng)?shù)臏囟确秶梢员ＷC電池更好的性能；而在大規(guī)模電池模塊/組中，溫度對(duì)電池健康狀態(tài)（SOH）影響顯著，不同溫度可能導(dǎo)致不同的老化速度，并影響電池的性能一致性。若發(fā)生熱失控，可能導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸。因此，溫度傳感技術(shù)對(duì)于電池健康監(jiān)測(cè)和安全性至關(guān)重要。


目前，BMS中使用的溫度傳感器主要是熱阻傳感器（如電阻溫度檢測(cè)器和熱敏電阻）和熱電偶。然而，由于空間和系統(tǒng)復(fù)雜性限制，能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中溫度傳感器的數(shù)量通常較少，且多數(shù)傳感器僅安裝在電池表面，但實(shí)際電池內(nèi)部和表面之間的溫差可能達(dá)到15°C，在熱失控情況下甚至超過200°C。因此，內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)對(duì)電池健康至關(guān)重要，表面溫度無法準(zhǔn)確反映電池的工作狀態(tài)和熱事件。

圖1 為了解決這些問題，光纖光柵（FBG）被引入電池溫度傳感。光纖光柵由一段單模光纖組成，光纖核心的折射率按周期性方式調(diào)制。其溫度傳感功能主要來源于光纖的熱光學(xué)效應(yīng)和彈光學(xué)效應(yīng)，這些效應(yīng)導(dǎo)致折射率和光柵周期的變化，從而引起反射波長的偏移。溫度變化導(dǎo)致的波長變化可以通過光纖的熱光學(xué)系數(shù)和熱膨脹引起的彈光學(xué)效應(yīng)來描述。


與傳統(tǒng)溫度傳感器相比，F(xiàn)BG具有更小的體積和更強(qiáng)的多路復(fù)用能力，能夠通過一根光纖監(jiān)測(cè)多個(gè)電池的溫度。2013年，楊等人將七個(gè)光纖光柵刻入一根光纖，用于監(jiān)測(cè)六個(gè)硬幣電池的溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于硬幣電池，陰極和陽極表面之間的溫差可以忽略不計(jì)，溫度變化速率主要由電流密度決定。這項(xiàng)工作證明了使用光纖光柵監(jiān)測(cè)電池溫度的可行性。光纖光柵在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的靈敏度（約10 pm/°C），且響應(yīng)迅速，可以準(zhǔn)確反映溫度的變化，特別適用于電池監(jiān)測(cè)中的高精度需求。


2015年，Schade等人開發(fā)了一個(gè)由96個(gè)光纖光柵（FBG）組成的傳感網(wǎng)絡(luò)，集成到一個(gè)13.8 kWh的電池模塊中。溫度傳感器光纖光柵被放置在導(dǎo)熱保護(hù)管中，以解耦電池的機(jī)械應(yīng)變，每個(gè)電池都配置了這樣的傳感器，而BMS中使用的熱電偶（TC）則作為參考傳感器。研究表明，光纖光柵能夠提供每個(gè)電池的詳細(xì)溫度信息，并準(zhǔn)確反映電池組中的溫度分布，提供更精確的數(shù)據(jù)以幫助研究人員更好地理解電池系統(tǒng)。憑借其優(yōu)越的多路復(fù)用能力，F(xiàn)BG已被認(rèn)為可以直接取代熱電偶，為BMS提供更準(zhǔn)確的溫度分布信息，從而有助于提高電池系統(tǒng)的性能和安全性。成功的外部溫度監(jiān)測(cè)表明，光纖光柵傳感器在電池溫度監(jiān)測(cè)中的可行性。傳統(tǒng)溫度傳感器通常只能測(cè)量電池表面的溫度，這只能作為電池內(nèi)部溫度的估計(jì)值，無法反映實(shí)際情況。為了準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)電池的內(nèi)部溫度，光纖光柵傳感器可內(nèi)嵌入電池中，并不會(huì)影響電池的原始配置或性能，這一點(diǎn)得到了驗(yàn)證。傳統(tǒng)溫度傳感器由于體積較大并可能影響電池性能，因此不能很好地滿足這些需求。

圖2

表1 一些開創(chuàng)性的研究者設(shè)計(jì)了由光纖光柵和法布里-珀羅（FP）傳感器混合構(gòu)成的特殊傳感單元，將其嵌入電池中，以解耦溫度和應(yīng)變信號(hào)。與外部FBG傳感器相比，內(nèi)部傳感器在溫度和應(yīng)變的響應(yīng)上表現(xiàn)出更大的值，證明內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果更接近實(shí)際情況。2020年，Tarascon等人通過在18650型鈉離子電池中同時(shí)進(jìn)行外部和內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)，成功實(shí)現(xiàn)了電池的定量熱量測(cè)量。他們將傳感器巧妙地放置在18650電池的中央空隙中，避免了應(yīng)變的影響。通過改變電池的充放電速率，他們證明了內(nèi)外溫差隨著速率的增加而增大。此外，溫度變化成功轉(zhuǎn)化為熱量生成，并通過能量平衡方程（熱等效電路）進(jìn)行計(jì)算，精確地測(cè)量了電池在循環(huán)過程中的熱量生成。

圖3 由于光纖光柵（FBG）傳感器在有限的監(jiān)測(cè)位置而非沿光纖路徑持續(xù)監(jiān)測(cè)，因此其被稱為準(zhǔn)分布式光纖傳感。而另一種完全分布式光纖傳感技術(shù)也已在電池監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。基于瑞利散射的頻域問詢系統(tǒng)被廣泛用于電池監(jiān)測(cè)，因?yàn)樗诂F(xiàn)有的完全分布式技術(shù)中具有最高的空間分辨率和測(cè)量分辨率。通過光頻域反射計(jì)（OFDR）技術(shù)，可以提供更高的空間分辨率，它通過注入光的頻率（ω）或波長（λ）隨時(shí)間線性變化來實(shí)現(xiàn)（見圖4d）。

圖4

表2 在一項(xiàng)研究中，Tarascon等人將光纖光柵傳感器與瑞利散射傳感器嵌入到18650型鈉離子電池中，定義了瑞利傳感器的單位感測(cè)長度為0.65mm。通過校準(zhǔn)，他們發(fā)現(xiàn)溫度變化與傳感器輸出之間存在線性關(guān)系，且所有瑞利傳感器的校準(zhǔn)系數(shù)值相似。瑞利傳感器成功地被用于繪制18650電池內(nèi)部縱向方向上的溫度分布（見圖4g），與FBG傳感器的測(cè)量結(jié)果一致。這一結(jié)果表明，瑞利傳感器適合用于電池組中數(shù)千個(gè)單體電池的溫度分布監(jiān)測(cè)。然而，0.65mm的感測(cè)單位長度產(chǎn)生相對(duì)較高的噪聲，這影響了其實(shí)際應(yīng)用。為了提高信噪比，感測(cè)單位長度應(yīng)適當(dāng)設(shè)置。


光學(xué)傳感器在測(cè)量多點(diǎn)表面溫度和內(nèi)部溫度方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，外部溫度監(jiān)測(cè)通過光學(xué)傳感器更貼近實(shí)際應(yīng)用。然而，裸光纖沒有封裝保護(hù)，容易受到損壞。用于基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測(cè)的封裝光纖光柵傳感器的壽命可超過20年，略長于其他候選傳感器。然而，在電池中的光學(xué)傳感器需要在實(shí)際電動(dòng)汽車條件下經(jīng)受嚴(yán)苛振動(dòng)和惡劣工作環(huán)境，因此其壽命還需進(jìn)一步驗(yàn)證。因此，在商業(yè)應(yīng)用之前，封裝方法和長期耐久性需要仔細(xì)研究。

圖5

應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量

許多研究已驗(yàn)證，在充放電過程中，電池的體積會(huì)周期性膨脹或收縮。例如，在鋰離子電池中，由于不同電極中鋰的部分摩爾體積差異，電池的凈體積發(fā)生變化，通常由陽極材料主導(dǎo)。常見的參數(shù)，如應(yīng)變、堆壓應(yīng)力和厚度，已經(jīng)被用來評(píng)估電池材料的反應(yīng)體積。這些研究表明，應(yīng)力在電池監(jiān)測(cè)中與溫度同樣重要，對(duì)于提升性能或防止各種機(jī)械退化（如全固態(tài)電池中的機(jī)械問題）具有重要意義。然而，由于缺乏合適的傳感技術(shù)，電池管理系統(tǒng)（BMS）中尚未有效利用應(yīng)變/應(yīng)力參數(shù)。隨著光纖應(yīng)變/應(yīng)力傳感器在電池中的應(yīng)用，這一情況正發(fā)生改變。

圖6 光纖光柵（FBG）傳感器不僅可以用于溫度監(jiān)測(cè)，還能夠測(cè)量應(yīng)變和應(yīng)力。當(dāng)光纖光柵受拉伸或壓縮時(shí)，光柵的周期發(fā)生變化，導(dǎo)致中心波長的漂移。應(yīng)變引起的波長變化可以通過公式描述，對(duì)于硅光纖傳感器，材料的物理參數(shù)（如楊氏模量為69.9 GPa）已知，可以用胡克定律將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為應(yīng)力。與傳統(tǒng)的外部壓力傳感器相比，光纖光柵傳感器最吸引人的特點(diǎn)是它能夠通過嵌入電池內(nèi)部來測(cè)量電極尺度的應(yīng)力。盡管一些薄膜應(yīng)變計(jì)傳感器已經(jīng)被插入到18650型鋰離子電池中，以獲得內(nèi)部環(huán)向應(yīng)變，但這些傳感器通常需要復(fù)雜的操作，如去除活性材料。此外，光纖傳感器的強(qiáng)大多路復(fù)用能力也是其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能夠大大簡(jiǎn)化監(jiān)測(cè)大量電池的操作復(fù)雜性。傳統(tǒng)壓力傳感器與光纖光柵傳感器的詳細(xì)優(yōu)缺點(diǎn)已在表格中總結(jié)。

2016年，Bae等人首次比較了植入式FBG傳感器與表面粘貼式FBG傳感器在石墨陽極中的應(yīng)力測(cè)量（見圖6a–c）。他們發(fā)現(xiàn)植入式FBG傳感器在充電過程中由于縱向應(yīng)變，波長偏移較大。更重要的是，這是首次基于胡克定律和波長偏移估算應(yīng)力，研究人員還展示了計(jì)算出的應(yīng)力與陽極的荷電狀態(tài)（SOC）相關(guān)。類似的結(jié)果也在使用LiIn陽極時(shí)獲得。研究還電氣和視覺地檢查了集成FBG傳感器的影響，結(jié)果顯示電池性能幾乎沒有負(fù)面影響，盡管在電池上可見到由光纖引起的痕跡。


如前所述，研究人員根據(jù)不同材料選擇了不同的封裝方法，如為硅陽極選擇粘貼式FBG傳感器（見圖6d和e），為硫正極選擇植入式FBG傳感器（見圖6f和g）。盡管這些研究使用了不同的電池系統(tǒng)（硅陽極使用Swagelok電池，硫正極使用軟包電池），但都獲得了寶貴的結(jié)果。對(duì)于硅陽極，首次循環(huán)中的應(yīng)力曲線顯示出三種不同斜率的應(yīng)力變化（平緩增加、急劇上升、應(yīng)力釋放），這些階段與微硅的鋰化過程（電極孔填充、電極增厚、顆粒破碎）高度一致。此外，納米硅與首次鋰化的差異也通過應(yīng)力監(jiān)測(cè)得以反映。


對(duì)于硫正極，比較了鋰硫電池的三種典型機(jī)制，發(fā)現(xiàn)硫化聚丙烯腈（SPAN）正極在固-固機(jī)制下的體積膨脹最大，但表現(xiàn)最佳；而KB/S正極在固-液-固機(jī)制下的體積變化最小。因此，在提高鋰硫電池性能時(shí)，潛在的化學(xué)力學(xué)因素應(yīng)予以考慮，尤其是在大規(guī)模軟包電池中。通過內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測(cè)的研究為理解電極材料的反應(yīng)提供了全新的視角。

圖7 在全固態(tài)電池（ASSB）中，化學(xué)力學(xué)問題較為嚴(yán)重，且尚未得到充分理解。FBG傳感器已被引入全固態(tài)電池，證明其優(yōu)越性。由于界面接觸不良，常常需要對(duì)全固態(tài)電池施加更高壓力。在高壓力下，F(xiàn)BG傳感器會(huì)發(fā)生峰值分裂，這是由于光纖的雙折射效應(yīng)（見圖7a）。光纖的橢圓形變形導(dǎo)致兩個(gè)不同的折射率（nx和ny），x極化光（nx）與y極化光（ny）之間的變化顯著。因此，當(dāng)FBG傳感器受到強(qiáng)拉伸時(shí)，單一共振峰將分裂為兩個(gè)峰值（λx和λy）。通過解耦λx和λy，可以獲得電極的軸向和縱向應(yīng)力，這些是傳統(tǒng)傳感器無法獲得的。利用FBG傳感器的雙折射效應(yīng)，首次監(jiān)測(cè)了LiIn陽極與全固態(tài)電解質(zhì)（SSE）界面之間的局部應(yīng)力演化（見圖7b–d）。結(jié)果表明，外部應(yīng)力（約0.25 MPa）較低，而內(nèi)部應(yīng)力（約3.8 MPa）較高，同時(shí)，通過雙折射效應(yīng)區(qū)分了橫向和縱向應(yīng)力貢獻(xiàn)，這對(duì)于深入理解全固態(tài)電池中的化學(xué)力學(xué)效應(yīng)至關(guān)重要。


內(nèi)部FBG傳感器將對(duì)電池制造過程帶來顯著變化，因此，將FBG傳感器放置在電池外部對(duì)于商業(yè)應(yīng)用更為可接受。應(yīng)力/應(yīng)變的強(qiáng)度主要取決于電池外殼的柔性，因此，大多數(shù)研究人員集中于軟包電池，因?yàn)槠浔砻婢哂休^高的柔性。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)置采用了類似的配置，包括粘附的FBG傳感器用于監(jiān)測(cè)應(yīng)力/應(yīng)變，以及參考FBG傳感器用于解耦應(yīng)力/應(yīng)變和溫度。


FBG傳感器測(cè)量的應(yīng)力/應(yīng)變與電池的體積變化密切相關(guān)，這一變化源于鋰離子插層到正負(fù)極時(shí)，部分摩爾體積的差異；電極中的活性鋰離子含量代表可釋放容量，與每個(gè)循環(huán)的應(yīng)力/應(yīng)變幅度相關(guān)。因此，電池的應(yīng)力/應(yīng)變可反映其荷電狀態(tài)（SOC）和健康狀態(tài)（SOH）。例如，在過充電的情況下，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變?cè)隽繉?duì)溫度的敏感度是正常情況下的50倍，說明溫度升高可能是惰性反應(yīng)；而應(yīng)變的快速增加則是最早的信號(hào)，并具有較高的準(zhǔn)確性。通過釘刺測(cè)試，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變傳感器被摧毀，溫度急劇上升，這反映了電池出現(xiàn)復(fù)合風(fēng)險(xiǎn)。這些結(jié)果表明，應(yīng)力/應(yīng)變的演變?cè)诒O(jiān)測(cè)電池安全狀態(tài)（SOS）方面起到了一定作用。

圖8 此外，由于大規(guī)模副反應(yīng)和電極形態(tài)退化的發(fā)生，應(yīng)變幅度未能與容量直接對(duì)應(yīng)，曲線中出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這可以作為容量衰退的早期警告信號(hào)。總體而言，外部的應(yīng)力/應(yīng)變可以反映電池的狀態(tài)（SOX，其中X代表充電狀態(tài)、健康狀態(tài)和安全狀態(tài)），有助于電池健康的監(jiān)測(cè)。顯然，傳感器的位置選擇和封裝方式至關(guān)重要。表3總結(jié)了不同方法的差異，并列出了各自的特點(diǎn)。

表3 與溫度測(cè)量類似，應(yīng)力/應(yīng)變測(cè)量也滿足機(jī)制研究和實(shí)際應(yīng)用的需求。然而，包裝和耐用性問題在商業(yè)應(yīng)用中仍然存在，這些問題也同樣影響到應(yīng)力/應(yīng)變測(cè)量的實(shí)用性。另一個(gè)封裝挑戰(zhàn)是如何解耦溫度與應(yīng)力/應(yīng)變的影響，因此需要更復(fù)雜的設(shè)計(jì)以滿足集成和功能要求。

測(cè)量折射率

電解液作為電池的一個(gè)重要組成部分，在離子運(yùn)輸中起著關(guān)鍵作用。電池循環(huán)過程中的電解液發(fā)生電化學(xué)和化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致離子和分子濃度的變化，監(jiān)測(cè)這些變化有助于揭示電池分解的內(nèi)在機(jī)制并指示電池健康狀態(tài)（SOH）。目前，測(cè)量這些參數(shù)的方法通常依賴于離子色譜（IC）和電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP），但這些方法需要昂貴的設(shè)備和特殊的設(shè)置，不適合在電池工作條件下進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。


電解液中離子或分子濃度的變化會(huì)改變其折射率（RI），這一變化可以通過光纖傳感器輕松檢測(cè)。近年來，許多基于光纖的折射率傳感器已被開發(fā)并應(yīng)用于電池監(jiān)測(cè)。例如，Patil等人于2014年提出了一種折射光纖傳感器，它利用兩根并聯(lián)光纖通過一個(gè)圓柱形玻璃腔體連接，腔體末端有反射器。光纖的錐形發(fā)射與折射率相關(guān)，因此反射后接收到的光量隨電解液的折射率變化而變化，這一變化與鉛酸電池的荷電狀態(tài)（SOC）呈線性關(guān)系。針對(duì)鋰電池，Nedjalkov在2019年提出了一種具有兩個(gè)光波導(dǎo)的自補(bǔ)償FBG傳感器，但由于應(yīng)變與折射率之間存在交叉干擾，定量測(cè)量變得不可行。

圖8 為了克服這一問題，研究者們引入了傾斜光纖布拉格光柵（TFBG）。與普通的FBG傳感器不同，TFBG的光柵平面是傾斜的，可以使光纖對(duì)環(huán)境折射率更敏感，并消除溫度干擾。Tarascon等人將傳感器放置在18650電池的中央空隙中，以避免應(yīng)變的影響，類似于溫度監(jiān)測(cè)。他們通過選擇適當(dāng)?shù)陌鼘幽Ｊ絹肀O(jiān)測(cè)電解液的折射率變化，并觀察電解液成分的演變。結(jié)果表明，折射率與電池容量損失呈線性關(guān)系，為評(píng)估電池SOH提供了一個(gè)有價(jià)值的新標(biāo)準(zhǔn)。總結(jié)來說，通過光纖傳感器監(jiān)測(cè)電解液的折射率變化，可以有效地評(píng)估電池的健康狀態(tài)，尤其是在電池工作過程中，這種方法為電池SOH的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了新的思路。


為了進(jìn)一步提高測(cè)量靈敏度，研究人員將傾斜光纖布拉格光柵（TFBG）涂覆上一層50納米厚的金膜，從而轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻娴入x子共振TFBG（SPR-TFBG）。這種光柵共振與表面等離子共振的結(jié)合提供了一種準(zhǔn)確的折射率（RI）測(cè)量方法。通過監(jiān)測(cè)等離子共振變化的幅度，研究人員可以解碼電池內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)。例如，Guo等人將SPR-TFBG附著在二氧化錳（MnO?）電極表面，監(jiān)測(cè)水性鋅離子電池中的離子活動(dòng)。在電池放電過程中，光信號(hào)的導(dǎo)數(shù)顯示出一個(gè)峰值，表明離子插層發(fā)生。此外，通過比較不同電解液中有無Zn2?的信號(hào)，可以清晰地區(qū)分H?和Zn2?的插層過程，證明了二氧化錳在鋅離子電池中的兩步離子插層過程。這一發(fā)現(xiàn)為離子動(dòng)力學(xué)的研究提供了光學(xué)傳感的新視角，補(bǔ)充了傳統(tǒng)電化學(xué)技術(shù)的不足。

圖10 相同的設(shè)備還被用于超電容器中監(jiān)測(cè)離子活動(dòng)。超電容器的能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換通過離子的吸附實(shí)現(xiàn)，離子的分布與電池的荷電狀態(tài)（SOC）直接相關(guān)，并且可以通過光學(xué)信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。研究表明，光學(xué)信號(hào)幾乎與SOC線性變化，進(jìn)一步證明了實(shí)時(shí)SOC監(jiān)測(cè)的可行性。這部分研究表明，通過監(jiān)測(cè)電解液的折射率變化，能夠追蹤電池分解途徑并評(píng)估電解液在循環(huán)過程中的穩(wěn)定性。此外，折射率測(cè)量為探索離子動(dòng)力學(xué)和電化學(xué)機(jī)制提供了超越傳統(tǒng)電化學(xué)方法的額外信息，填補(bǔ)了當(dāng)前監(jiān)測(cè)方法的空白。然而，目前測(cè)量的折射率值僅關(guān)注整個(gè)電解液，因此無法追蹤特定化學(xué)物質(zhì)的分解機(jī)制。對(duì)于具體物質(zhì)的化學(xué)演變，仍需進(jìn)一步研究。同時(shí)，相較于溫度和應(yīng)變/應(yīng)力，折射率分析的難度更大，這提示未來可能需要借助機(jī)器學(xué)習(xí)算法的支持來進(jìn)一步提高分析能力。

圖11

圖12

圖13

光譜測(cè)量

電池的電極和電解液在充放電過程中會(huì)經(jīng)歷化學(xué)變化，傳統(tǒng)的物理參數(shù)（如溫度、應(yīng)變/應(yīng)力、折射率等）有時(shí)無法充分反映電池內(nèi)部的電化學(xué)過程。因此，研究者開始采用光譜測(cè)量更精準(zhǔn)地表征電池材料的微觀變化。 光譜分析：通過吸收光譜可以反映材料的不同狀態(tài)。例如，石墨的顏色與其鋰含量相關(guān)，研究者利用這一特性來監(jiān)測(cè)電池的SOC（荷電狀態(tài)）。使用涂覆有石墨漿料的光纖傳感器（光纖消逝波傳感器FOEWS），研究人員成功地測(cè)量了石墨陽極在500到900 nm波長范圍內(nèi)的反射光譜，證實(shí)了SOC與透射信號(hào)的直接關(guān)系。

鈷酸鋰磷（LFP）光學(xué)特性：LFP的SOC由于其平坦的電壓平臺(tái)一直難以測(cè)定，但通過反射和透射光譜的變化，研究者發(fā)現(xiàn)LFP的鋰含量與光譜信號(hào)直接相關(guān)，成為SOC的一個(gè)有效指標(biāo)。


光纖紅外光譜（IR-FEWS）：為了突破硅光纖的傳輸限制，研究者采用了硫化物、硒化物和碲化物等材料的玻璃光纖。通過將這種光纖嵌入鈉離子電池的電極中，研究人員揭示了鈉離子在NVPF電極中的四步去插層機(jī)制。這種技術(shù)能夠追蹤電池充放電過程中離子的吸附和去除過程，增加了對(duì)電極相變過程的理解。


Raman散射光譜：使用空心光纖的拉曼散射光譜也被用來分析電解液中的分子動(dòng)態(tài)。通過拉曼光譜跟蹤電解液的化學(xué)反應(yīng)，研究者能夠解碼電解液在形成過程中的分解機(jī)制，分析包括碳酸二甲酯（DMC）等物質(zhì)的分解情況。

圖14 綜上所述，光譜測(cè)量技術(shù)為揭示電池材料的微觀變化提供了強(qiáng)大的工具，尤其是在電解液和電極材料的分解機(jī)制方面，提供了比傳統(tǒng)電化學(xué)技術(shù)更深入的理解。未來，結(jié)合光譜技術(shù)與其他傳感技術(shù)，如溫度和應(yīng)變/應(yīng)力測(cè)量，可以全面地提高電池監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

本文回顧了通過光纖光譜技術(shù)解鎖分子層面的化學(xué)演變。這些開創(chuàng)性技術(shù)能夠識(shí)別電池中的退化和故障機(jī)制，揭開了長期以來被視為“黑箱”的謎團(tuán)。未來，所提出的原位操作方法將有助于更好地理解當(dāng)前電池的局限性，并為不同電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)退化機(jī)制的研究鋪平道路。


電池傳感技術(shù)自電池發(fā)明以來一直是工程師們關(guān)注的重點(diǎn)，光纖傳感技術(shù)作為一種有前景的工具，已逐漸成為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可充電電池的有效手段。國家杰青黃云輝教授在本文中回顧了光纖傳感器在檢測(cè)電池關(guān)鍵參數(shù)（如溫度、應(yīng)變/應(yīng)力、折射率（RI）和光譜）方面的顯著潛力，這些光纖傳感器可用于外部和內(nèi)部的監(jiān)測(cè)。這些光纖傳感器為優(yōu)化電池管理系統(tǒng)（BMS）提供了寶貴的見解，但在廣泛應(yīng)用之前，仍面臨一些挑戰(zhàn)。

封裝與部署挑戰(zhàn) 光纖傳感器的首要挑戰(zhàn)之一是其在電池系統(tǒng)中的封裝和部署。硅光纖本身脆弱，容易在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中（如電動(dòng)汽車（EV）和儲(chǔ)能系統(tǒng)）損壞。因此，光纖傳感器需要適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，以承受機(jī)械應(yīng)力、振動(dòng)和惡劣的操作條件。此外，由于光纖光柵（FBG）傳感器對(duì)溫度和應(yīng)變都非常敏感，為了獲得準(zhǔn)確的讀數(shù)，通常需要采用溫度補(bǔ)償封裝來解耦這些參數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，監(jiān)測(cè)大規(guī)模電池系統(tǒng)所需的傳感器數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)室設(shè)置。因此，在一個(gè)大型電池或電池組中部署多個(gè)傳感器時(shí)，必須仔細(xì)考慮傳感器的集成，可能需要使用多根光纖來監(jiān)測(cè)不同的參數(shù)。如何有效部署這些傳感器，同時(shí)保持電池性能，將是關(guān)鍵問題。

傳感器與電池的集成 光纖傳感器與電池的集成又面臨一系列挑戰(zhàn)。盡管光纖傳感器可以執(zhí)行多種功能，但其在電池內(nèi)的存在不應(yīng)干擾電池的電化學(xué)性能。將傳感器植入電池可能會(huì)改變電池的制造工藝，這對(duì)于現(xiàn)有電池生產(chǎn)商來說是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。一種可能的解決方案是將傳感器放置在相鄰的電池單元中，確保其工作條件相似，從而允許共享數(shù)據(jù)而不影響電化學(xué)過程。然而，這一方案還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以確定其可行性和有效性。

先進(jìn)的分析與診斷方法 隨著光纖傳感器生成的大量數(shù)據(jù)，開發(fā)智能分析工具和故障預(yù)警診斷系統(tǒng)將變得越來越重要。電池?cái)?shù)據(jù)的復(fù)雜性將大大增加，因此需要新的模型來準(zhǔn)確解讀這些數(shù)據(jù)。光纖傳感技術(shù)與人工智能（AI）、機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）和深度學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)的協(xié)同將是管理大數(shù)據(jù)量的關(guān)鍵。

由AI驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)指示算法可以實(shí)現(xiàn)更精確的電池狀態(tài)分析，提供對(duì)電池狀態(tài)（如充電狀態(tài)SOC、健康狀態(tài)SOH和安全性）的更深入理解。建立一個(gè)涵蓋不同工作條件下的電池參數(shù)的綜合數(shù)據(jù)庫，對(duì)訓(xùn)練AI模型至關(guān)重要。這種數(shù)據(jù)、AI和先進(jìn)建模的結(jié)合可以幫助創(chuàng)建預(yù)測(cè)系統(tǒng)，不僅可以實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)，還能預(yù)測(cè)電池的未來行為，包括退化趨勢(shì)和潛在故障風(fēng)險(xiǎn)。

展望：邁向智能電池

盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，但光纖傳感技術(shù)在電池監(jiān)測(cè)中的未來前景仍然令人鼓舞。成功將光纖傳感器應(yīng)用于電池中，可能會(huì)創(chuàng)造出具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的“智能電池”，能夠監(jiān)測(cè)電池的各種狀態(tài)，包括SOC、SOH和安全性。這將顯著提升電池的質(zhì)量、可靠性和使用壽命（QRL）。

未來，將光纖傳感技術(shù)與云計(jì)算、AI和數(shù)字孿生等技術(shù)結(jié)合，可能會(huì)徹底改變電池管理。在這一愿景中，光纖傳感器的數(shù)據(jù)將由AI實(shí)時(shí)分析處理，創(chuàng)建每個(gè)電池的“數(shù)字孿生”。該虛擬模型將通過物聯(lián)網(wǎng)（IoT）傳輸?shù)皆贫耍蛴脩艉椭圃焐烫峁╆P(guān)于電池狀態(tài)的全面信息，甚至預(yù)測(cè)其性能隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。通過利用AI、云技術(shù)和數(shù)字孿生的強(qiáng)大功能，我們可以期待更智能、高效的電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以被整合到電池生產(chǎn)、研究和操作的各個(gè)階段。這些進(jìn)展將大大提升電池的性能、安全性和壽命，為更可靠、更可持續(xù)的能源儲(chǔ)存解決方案鋪平道路。

來源：鋰電聯(lián)盟會(huì)長

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