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锂电池内部监控:没有什么是一根光纤解决不了的,如果有那就来两根!

锂离子电池体系对于空气中的水分非常敏感,因此所有采用有机电解液体系的锂离子电池都采用密封结构,这就为锂离子电池内部状态的监控带来了非常大的困难。通常我们只能通过对锂离子电池电流和电压、外表温度的间接测量推断锂离子电池内部的状态,这不仅需要大量的经验数据,还要建立复杂的模型。而光纤技术的应用让直接监控锂离子电池内部状态成为可能,例如我们之前曾经报道过美国帕洛阿尔托研究中心的Ajay Raghavan提出了一种采用可折叠光学光栅纤维(FBG)对锂离子电池内部状态进行监控的方法,通过该方法可以直接对锂离子电池SoC和SoH状态进行监控,并检测锂离子电池内部的压力和温度变化,从而实现对锂离子电池失效的早期预警功能(《为锂离子电池装上智慧眼睛》)。

布拉格光栅纤维(FBG)可以用来检测锂离子电池内部温度和应力,但是缺点是FBG对于温度和应力两种信号都比较敏感,因此很难实现对温度和应变的区分,而Fabry-Perot干涉光纤(FP)由于对温度不敏感,因此常被用来检测压力或者应变。近日,葡萄牙阿威罗大学的Micael Nascimento(第一作者,通讯作者)将两种传感器结合在一起,从而实现对锂离子电池内部温度和应力的原位检测。

如果FBG纤维暴漏在一个宽波段的光源中,则在反射光中会出现一个尖锐的峰,这个峰所对应的波长被称为布拉格波长,布拉格波长可以通过下式计算得到。如果FBG纤维的外部环境,例如压力、温度等发生改变就会引起布拉格波长的改变,从而实现对这些变量的测量。

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FP纤维则能够通过反射光与透射光之间的相位差实现对应变的检测,从下式能够看到如果我们在FP纤维长度方向上施加一定的压力,会引起纤维长度L的变化,从而引起相位差的变化,进而实现对应变的测量。

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由于单独使用FBG纤维无法区分应力和温度,MicaelNascimento将上述的FBG和FP纤维形成一个复合传感器,从而实现对应变和温度的同时测量和区分。FBG和FP纤维组成的复合传感器如下图所示(FBG与FP纤维串联在一起)。

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实验中作者采用了iPhone手机电池作为研究对象,首先作者将复合传感器贴在电池外部中央的位置(如下图所示),电池在充放电过程中的外部温度和应变的变化如下图中曲线所示。电池的充放电过程中分为几个步骤:步骤1,为恒压充电,在此过程中无论是电压,还是电池温度都比较平稳没有发生大的波动;步骤2为恒流充电,在此过程中的前12min中电池温度最高升高了4℃左右,而电池应变则在充电过程中持续增加,最大达到了110x10-3;步骤3为恒流放电,放电过程中的发热分为两个阶段,首先是放电的前5分钟,电池的电压达到3.2V之前,温度快速升高,最大温升达到8.3℃,然后是放电的末期(3.0V-2.0V),电池的最大温升达到了15.3℃,而在恒流放电过程中电池的应变也分为两个阶段,放电的初期电池的应变有一个非常快速的升高,达到138x10-3,放电的后期应变也有一个非常快速的升高达到118.5x10-3,而在两段中间则有一个应变下降的过程。

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为了分析充放电过程中锂离子电池内部压力和温度的变化,作者还采用LFP和石墨材料制备了软包电池,并在电池的顶部、中部和下部植入了复合传感器(如下图所示),用来测试充放电过程中电池内部温度和应变的变化。

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软包锂离子电池在充放电过程中内部不同位置温度和应变的变化曲线如下图所示,电池的充放电电压范围为2.0-3.9V,其中前3次循环为0.5C,紧接着进行3次1C循环,然后是2次0.25C循环。从下图a中能够看到,电池内部温度和外部温度有着明显的差距,在0.3C充电时电池内部最大温升为2.7℃,电池外部最大温升则只有1.8℃。从下图b中电池在充放电过程中的应变变化能够发现在0.25C恒流充电的过程中电池的应变出现了一个明显的下降,表明此时锂离子电池的上部区域呈现出收缩的趋势,这一现象目前还没有很好的解释。

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从下图c中能够看到电池中部位置,在恒压充电的末期电池内部和外部的最大温升分别为3.3℃和2.5℃,这要明显高于电池顶部的温升,表明电池中间位置更容易积累热量,温升也更大,而恒压充电过程中电池内外的最大温差也达到了2.5℃。在电池的中间位置我们同样观察到了在恒压充电过程中电池体积收缩的现象,但是这一现象目前还没有很好的解释。

MicaelNascimento首次将FBG和FP两种纤维传感器结合在一起,实现了对电池内部温度和应变的同时测量,对于电池状态的监控,热失控的预警具有重要的意义。如果将应力检测与锂离子负极在嵌锂过程中的体积变化结合,我们甚至可以用于对锂离子电池SoC状态的预测,从而达到提高SoC状态预测的准确度。

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