光纖原位監(jiān)測電池?zé)崾Э貎?nèi)部特征及早期預(yù)警區(qū)間的建立

本報訊  近日，暨南大學(xué)郭團研究員和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)王青松研究員團隊在鋰離子電池?zé)崾Э毓饫w檢測早期預(yù)警領(lǐng)域取得了重要成果。該研究可為快速切斷電池?zé)崾Э劓準(zhǔn)椒磻?yīng)提供預(yù)警手段。
　　該研究成果以《基于先進光纖傳感技術(shù)的商用鋰離子電池?zé)崾Э卦槐O(jiān)測（Operando monitoring of thermal runaway in commercial lithium-ion cells via advanced lab-on-fiber technologies）》為題，已于2023年8月29日發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）雜志上。
　　隨著全球能源危機的日益凸顯，以鋰離子電池為代表的高能量密度、長續(xù)航能力、可移動電化學(xué)儲能設(shè)備在智能電動汽車、綠色儲能電站等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了蓬勃發(fā)展。然而，頻繁發(fā)生的電池起火爆炸等安全事故問題嚴(yán)重制約了鋰離子電池的進一步發(fā)展，其共性原因是由于電池?zé)崾Э亍?br /> 　　導(dǎo)致電池?zé)崾Э氐母?，是電池?nèi)部一系列復(fù)雜且相互關(guān)聯(lián)的“鏈?zhǔn)礁狈磻?yīng)”。最具代表性的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)包括：外部電、熱、機械濫用→內(nèi)部產(chǎn)熱→SEI膜分解→隔膜熔化→內(nèi)部短路→安全閥開啟→正極與電解液劇烈反應(yīng)→電解液分解并產(chǎn)氣→電解液與氣體燃燒→起火爆炸。從局部短路到大面積短路，電池內(nèi)部溫度快速提升，可高達800℃以上，引發(fā)電池起火爆炸。
　　如何溯源電池?zé)崾Э匕l(fā)生的內(nèi)在誘因，厘清各分步反應(yīng)之間的耦聯(lián)關(guān)系，揭示熱失控主導(dǎo)機制與動力學(xué)規(guī)律，前移熱失控預(yù)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(jié)構(gòu)和內(nèi)部復(fù)雜的反應(yīng)機制，電池內(nèi)部核心狀態(tài)參量檢測的準(zhǔn)確性和實時性無法保證。具有“透視”檢測能力的科學(xué)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(yīng)用于電池使用終端。如何科學(xué)、及時、準(zhǔn)確地預(yù)判電池安全隱患，已成為當(dāng)前電池安全領(lǐng)域的國際性科學(xué)難題。
　　為了攻克這一科學(xué)難題，暨南大學(xué)和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團隊提出了一種可植入電池內(nèi)部的多模態(tài)集成光纖原位監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)了對商業(yè)化鋰電池?zé)崾Э厝^程的精準(zhǔn)分析與提早預(yù)警。
　　現(xiàn)階段，該團隊已設(shè)計并成功研制出可在1000 ℃的高溫高壓環(huán)境下正常工作的多模態(tài)集成光纖傳感器，實現(xiàn)了對電池?zé)崾Э厝^程內(nèi)部溫度和壓力的同步精準(zhǔn)測量，攻克了熱失控極端環(huán)境下溫度與壓力信號相互串?dāng)_的難題，并提出解耦電池產(chǎn)熱和氣壓變化速率的新方法，發(fā)現(xiàn)了觸發(fā)電池?zé)崾Э劓準(zhǔn)椒磻?yīng)的特征拐點與共性規(guī)律，實現(xiàn)了對電池內(nèi)部微觀“不可逆反應(yīng)”的精準(zhǔn)判別。當(dāng)前，該研究可為快速切斷電池?zé)崾Э劓準(zhǔn)椒磻?yīng)提供預(yù)警手段。