可充电电池作为最通用的储能技术之一，在从化石燃料向可再生能源的过渡中发挥着核心作用。这种日益增长的需求使得电池的可靠性和寿命性能比以往任何时候都更加重要，从而凸显出准确监测电池功能状态的重要性，实时监测电池在运行过程中的动态化学和热状态变化，这是保证其安全性和可靠性不受到损坏的关键所在。

近日，中国科学技术大学的科研团队在锂电池安全领域取得了重大突破。他们与暨南大学的合作伙伴成功研制出一种创新的技术，可以植入电池内部，对锂电池的热失控全过程进行高精度分析和早期预警。相关研究成果日前在线发表于《自然-通讯》。

破解国际性科学难题

手机、笔记本电脑、电动自行车、电动汽车中都有一个关键部件——锂离子电池。随着全球范围内能源危机的出现、“双碳”目标的驱动，锂离子电池产业迅速发展。然而，锂离子电池常常会发生爆炸，也就是热失控，这是威胁电池安全的“癌症”，是制约电动汽车与新型储能规模化发展的瓶颈。

研究表明，电池热失控源于电池内部一系列复杂且相互关联的“链式反应”。“这可以从电池内部和外部两方面讨论。从内部来看，电池由正负极、电解液、隔膜等组成，其中电解液和隔膜都是易燃物，正负极和电解液在一定温度下又会产生化学反应，进而产生热量和可燃气体。也就是说，电池内部本身就是一个热不稳定的体系。”王青松说。

从外部来看，电池在使用过程中容易出现各种外部滥用：电滥用，如过充、过放等；热滥用，如高温、局部发热等；机械滥用，如撞击、挤压等。这些外部滥用会造成电池内部材料发生一系列连锁化学反应，电池内部温度快速提升，最高可达800摄氏度，导致电池起火或爆炸。

如何科学、及时、准确地预判电池安全隐患，是当前电池安全领域的国际性科学难题。为攻克这一难题，研究团队提出一种可植入电池内部的高精度光纤传感器，在国际上率先实现对商业化锂电池热失控全过程的精准分析与提早预警。《自然-通讯》的一位审稿专家评价道，“该研究有助于电池健康状态监测，并在不可逆损害前发出预警信号。”

植入光纤传感器给电池“问诊”

将光纤植入电池，并非王青松等人首创。曾经，法国科学院院士、英国皇家化学学会会士Jean-Marie Tarascon教授作为通讯作者在《自然—能源》上发文称，他们使用传统的单模或者微米结构纤维的光纤光栅传感器（FBS），制备出了具有光学传感功能的电池，成功同时解锁电化学电池循环过程中的温度和压力的高精度监测，这也是之前从未实现的成就。

当时，研究表明，通过调整纤维形态和与温度和压力相关的波长，就能够精确测量电池循环过程中的化学变化，如固体电解质相间（SEI）形成和结构演化等，大大提高了理解循环过程中电池副反应和界面生长动力学的能力。此外，作者还演示了在不需要使用微量热法的情况下，如何使用多个传感器来确定电池产生的热量的策略。与传统的等温量热法不同，电池的热容量贡献很容易被评估，允许完全参数化的热模型。

而王青松他们提出了一种可植入电池内部的多模态集成光纤原位检测技术，成功设计和制造了多模态集成光纤传感器，这些传感器可以在高温高压环境下正常工作，温度达到了1000℃。

据ITBEAR科技资讯了解，这套设备可以同时测量电池内部温度和压力，实现了同步精准测量，克服了在极端环境下温度和压力信号相互干扰的难题。而且，研究团队还提出了一种新方法，可以解耦电池产生的热量和气压变化速率，首次发现了触发电池热失控链式反应的特征拐点和共性规律。这一发现为快速切断电池热失控链式反应、确保电池在安全区间运行提供了重要手段。

王青松解释说，电池热失控过程中，内部压力高达2MPa、温度高达500至800摄氏度，在这种高温高压的冲击下，光纤信号会中断，无法测得电池内部温度和压力数据。研究的关键是开发一款“健壮”的光纤传感器。他们与郭团团队联合攻关，多次改进光纤结构，开展热失控实验，反复修改和验证，最终通过对光纤进行套管保护，在保证内部信号传输的同时解决了光纤容易断的难题。“这款高精度光纤传感器总长度12毫米、直径125毫米，能够植入商业18650电池，实时监测电池热失控期间的内部温度和压力影响。”王青松向《中国科学报》介绍了光纤传感器的结构。

相比现有的外部监测技术，内部光纤传感技术更具有及时性、灵活性。“就好比人们患病，当感知到疼痛时，往往为时已晚。这就像电池外部特征的变化一般都是滞后的。”王青松解释道，“而去医院体检，可以通过CT等看到内部器官变化，从而预知疾病的发生，并通过治疗手段阻止疾病进一步发展。但这种大型设备体积庞大，无法随时随地监测内部状态变化。如果在人体内植入芯片，就可以做到实时跟踪预警。就像在电池内部植入光纤传感器，可以做到实时监测预警。”

值得一提的是，该研究通过解析压力和温度变化速率，首次发现温度和压力变化速率的转变点可作为电池热失控早期预警区间。该发现适用于不同电量的电池，能够在电池内部发生“不可逆反应”之前发出预警信号，保证了电池后续的安全使用。

适合大规模推行量产

在王青松看来，光纤传感器尺寸小、形状灵活，具有抗电干扰性和远程操作的能力和适合大规模生产的标准制造技术，并且可以实现一根光纤在电池的多个位置同时监测温度、压力、气体组分、离子浓度等多种关键参数。光纤传感技术与电池的结合将在新能源汽车、储能电站安全监测等领域发挥重要作用。

为此，研究团队将探索光纤传感器在大容量储能电池中的应用。“大容量储能电池热失控相比此次研究中的18650电池更加剧烈，并且其热失控特性和机理与小电池有所差异，这将是对我们研究的进一步考验。”王青松说。

另一方面，团队将与电池制造商合作，希望在电池制作过程中植入光纤传感器，避免对电池二次破坏，加快光纤传感在储能和新能源汽车电池管理系统中的应用进程。

这项研究成果对于电动汽车、无人机等领域的发展具有重要意义。随着新能源汽车和无人机等新型产品的不断涌现，锂电池的需求也在不断增加，然而由于锂电池存在着安全隐患，如何有效地监测和管理成为了一个亟待解决的问题。而该光纤器的问世为解决这一问题提供了新的思路和方法。

据悉，该光纤器已经通过了实验验证，并取得了良好的效果。未来该设备有望被广泛应用于电动汽车、无人机等领域，为人们的出行和生产生活带来更多便利和安全保障。

文章来源： 中国科学报，ITBEAR科技资讯，今日科学