邱健蓄电池基于高灵敏度小直径光纤传感器的锂离子电池健康状态与过充预警原位监测

理解电池运行过程中的内部温度变化与电极体积扩展包是评估性能与健康状态的关键。然而，由于传统传感器的侵入性特点，对电池内部温度及活性材料结构形变的实时精确监测仍面临重大挑战。为解决该问题，本研究提出基于高灵敏度小直径光纤布拉格光栅（FBG）传感器的创新方案。该传感器能以最小侵入性嵌入工作电池电极内部，实现热力学与电化学行为的实时监测，并基于阳极应变构建三级过充预警机制。以锂离子电池为例，这种小直径高灵敏度光学传感器可捕捉锂离子嵌入脱嵌过程中产生的应变信号，揭示电极材料在微观尺度上的力学响应与其电化学性能之间的动态关系。该研究识别并量化了电极应变信号演变与电池容量衰减之间的线性关系，进一步验证了应变信号在早期检测电池安全事故方面的敏感性和有效性。这些发现为优化电池设计、提升电池系统的安全性和可靠性提供了有价值的见解。

引言

近年来，锂离子电池（LIBs）因其高能量密度、长循环寿命和低自放电率等优势，被广泛应用于便携式电子设备和电动汽车领域，成为最具发展前景的储能技术之一[1]。然而随着应用边界的持续扩展，LIBs频繁发生的热失控引发起火甚至爆炸等安全事故，已成为其大规模安全应用的主要障碍[2]。解决这一安全挑战的关键在于深入理解电池内部状态——这些状态由产热、电极体积膨胀及副反应产气等一系列复杂物理化学过程所主导。电池内部温度的精确测量可直接预警局部过热与热失控风险。与此同时，电极应变的动态监测能够及时反映锂离子脱嵌过程导致的电极形变与结构损伤。这两个方面共同为预防内部短路和热失控提供了关键信息。这些内部动态特性直接决定了电池的性能边界与安全阈值[[3], [4], [5]]。
目前，商用电池管理系统(BMS)主要依赖监测模块级外部参数（如电流、电压和表面温度）来评估电池的荷电状态(SOC)和健康状态(SOH)[[6], [7], [8]]。然而，这种基于外部参数的方法存在固有局限性：无法实时获取这些关键内部状态参数，且其评估结果难以实现高精度[[9], [10], [11], [12]]。内部状态感知的这一关键缺陷，使得实时、精确的内部监测成为电池安全管理领域一项重要而紧迫的挑战。因此，开发能够直接探测关键内部物理量的原位监测技术，对于实现精准健康评估与安全保障至关重要。具体而言，实时准确地监测锂离子电池内部温度分布与电极应变演变，是阐明失效机制和实现主动安全预警的基础。
光纤传感器因其具备所需的外形尺寸、抗电干扰特性和远程操作能力，成为实现此类解决方案极具前景的技术路径。该技术已在众多领域被验证可作为具有优异时间与空间分辨率的Multi参数传感工具。%% 特别是光纤布拉格光栅（FBG）传感器较其他光纤传感技术具有显著优势。FBG传感器对温度与应变均具备高灵敏度，其柔韧性、小尺寸、轻量化特性以及耐高温高压、抗化学腐蚀、绝缘性和抗电磁干扰等特性，使其能够以对电池性能影响最小的方式嵌入电极材料内部。通过合理的空间排布与解调技术，FBG传感器可同步区分温度与应变，这种Multi性向是其他光学传感技术通常无法实现的。此外，其增强的机械强度与化学稳定性使其能更好地承受制造应力与严苛的电化学环境，从而保障长期可靠性[[13], [14], [15], [16], [17]]。这一特性使光纤布拉格光栅传感器成为锂离子电池内部监测的最优解决方案。Pinto等学者首次将FBG传感器集成于LIB中，实现了电池内部应变与温度的同时监测[[18], [19], [20]]。Bae等研究者将光纤布拉格光栅（FBG）传感器嵌入软包锂离子电池的石墨电极中，验证了FBG传感器用于电极应变监测的可行性[21]。Huang等将FBG传感器嵌入锂硫电池正极，证实了应力变化与正极结构之间存在强相关性[22]。此外，Guo等通过化学腐蚀法制备30微米直径FBG并嵌入固态锂金属电池，验证了小直径FBG传感器能有效降低对电池性能的干扰[23]。上述研究表明，嵌入电池内部的FBG能够准确提取充放电过程中内部状态的关键信息[24,25]。然而，现有关于安全预警问题的研究仍不够深入和全面。特别是在多数现有研究中，通常采用厚度为150-200μm的厚涂层电极来嵌入125μm的FBG传感器，而非使用厚度为70-100μm的商业LIB电极。这种差异会影响电池SOC和SOH的评估与预测[21,26]。尽管先前研究已证实采用小直径FBG传感器进行电池内部监测的可行性，但过细的直径会严重削弱其机械性能，进而影响传感器的使用寿命与长期监测稳定性。
针对上述问题，我们提出了一种基于高灵敏度、小直径FBG传感器的创新方法。这些传感器通过在直径为80μm的光纤上刻写光栅制成，能够以微创方式嵌入电极材料中，显著降低对电极结构的干扰。与传统的125μm直径FBG传感器相比，这些小直径传感器在检测性能方面展现出显著优势。通过在电池内部不同位置嵌入这些传感器，可以实时、高精度地监测充放电循环过程中正负极的内部温度和应变变化。此外，在过充测试中，基于负极应变信号的演变，本研究提出了三级过充预警机制，为电池安全管理提供了重要的早期预警工具。本研究结果表明，阳极应变信号可作为更及时、更灵敏的健康状态评估指标，有效表征电池容量衰减与内部结构变化，在电池安全事故早期检测方面展现出显著潜力。