【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫金華教授和王青松研究員團(tuán)隊(duì)與暨南大學(xué)郭團(tuán)教授團(tuán)隊(duì)在鋰離子電池?zé)崾Э毓饫w檢測早期預(yù)警領(lǐng)域取得重要成果。成功研制出可植入電池內(nèi)部的高精度、多模態(tài)集成光纖器，率先實(shí)現(xiàn)了對商業(yè)化鋰電池?zé)崾Э厝^程的精準(zhǔn)分析與早期預(yù)警。相關(guān)研究成果以“Operando monitoring of thermal runaway in commercial lithium-ion cells via advanced lab-on-fiber technologies”為題，于8月29日在線發(fā)表在《Nature Communications》期刊上。(買儀表，賣儀表就上儀表網(wǎng)！ 找產(chǎn)品、看訂單…一站式全搞定！)
 

　　隨著全球范圍內(nèi)能源危機(jī)的出現(xiàn)，并在“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動下，鋰離子電池獲得了蓬勃發(fā)展，然而電池?zé)崾Э乇挥鳛橥{電池安全的“癌癥”，是制約電動汽車與新型儲能規(guī)?；l(fā)展的核心瓶頸。因此亟需深入理解鋰離子電池?zé)崾Э匮葑儥C(jī)制，并提出早期預(yù)警策略以防止火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生。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(jī)械濫用→內(nèi)部產(chǎn)熱→SEI膜分解→負(fù)極與電解液反應(yīng)、產(chǎn)氣→隔膜熔化→內(nèi)部短路→安全閥開啟→正極與電解液反應(yīng)、產(chǎn)氣→電解液分解、產(chǎn)氣→電解液、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(dá)800℃以上，引發(fā)電池起火爆炸。
 

　　由此可見，“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(jī)制與動力學(xué)規(guī)律，前移熱失控預(yù)警時(shí)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(jī)制，電池內(nèi)部核心狀態(tài)參量檢測的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性無法保證。最新報(bào)道的具有“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(jià)格昂貴，無法應(yīng)用于電池使用終端。如何科學(xué)、及時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)判電池安全隱患，成為當(dāng)前電池安全領(lǐng)域的國際性科學(xué)難題。
 

　　為攻克這一難題，該團(tuán)隊(duì)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)，在國際上率先實(shí)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。該聯(lián)合團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(shí)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，提出解耦電池產(chǎn)熱和氣壓變化速率的新方法，首次發(fā)現(xiàn)了觸發(fā)電池?zé)崾Э劓準(zhǔn)椒磻?yīng)的特征拐點(diǎn)與共性規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了對電池內(nèi)部微觀“不可逆反應(yīng)”的精準(zhǔn)判別，為快速切斷電池?zé)崾Э劓準(zhǔn)椒磻?yīng)、保障電池在安全區(qū)間運(yùn)行提供了重要手段。
 

　　在未來，鑒于光纖傳感器尺寸小、形狀靈活、具有抗電干擾性和遠(yuǎn)程操作能力，適合大規(guī)模生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)制造技術(shù)，且可以實(shí)現(xiàn)一根光纖在電池的多個(gè)位置同時(shí)監(jiān)測溫度、壓力、折射率、氣體組分和離子濃度等多種關(guān)鍵參數(shù)。光纖傳感技術(shù)與電池的結(jié)合將會在新能源汽車、儲能電站安全檢測等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
 

圖 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
 

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)王青松研究員與暨南大學(xué)郭團(tuán)教授為論文的共同通訊作者，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士后梅文昕和暨南大學(xué)碩士研究生劉誌為論文的共同第一作者，該工作由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、暨南大學(xué)、加拿大國家研究委員會、香港理工大學(xué)及卡爾頓大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)合作完成。
 

　　該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會、廣東省特支計(jì)劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、國家博新計(jì)劃等資助。(原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40995-3  火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，科研部)