实时电池健康监测，光纤传感技术如何应用？

文 | 文史充电站

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传统电池管理系统 (BMS) 监测有限的参数，但未能满足日益增长的需求，新型光纤传感技术提供了高灵敏度、多功能和小型化的优势。

这些传感器可以轻松部署在电池内外，为更全面、准确的电池状态监测提供可能，光纤传感技术有望为电池性能的优化和未来高能量密度电池系统的发展提供关键支持。

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FBG传感技术对电池温度的分布

在电池管理系统（BMS）中，常用的温度传感器包括热电阻传感器和热电偶，因体积和复杂性的限制，温度传感器的数量有限，难以充分反映电池内部的温度分布。

这些传感器通常放置在电池表面，而电池内部温度可能与表面温度存在差异，尤其在发生热事件时，这就需要一种能够在电池内部进行准确监测且不影响电池性能的温度传感技术。

光纤布拉格光栅（FBG）传感技术被引入电池温度监测领域，以解决上述问题，FBG传感器由周期性调制的光纤纤芯组成，可以用作高度选择性的波长选择性反射滤波器。

FBG的温度传感功能主要依赖于热光效应和弹光效应，这些效应会导致折射率和光栅周期的变化，进而引起波长偏移，这种偏移可以用来准确测量温度。

FBG传感器具有多重优势，包括小尺寸、强大的复用能力，以及能够监测多个电池的温度，在一项研究中，一根光纤中刻入了多个FBG，用于监测多个电池的温度。

结果表明，FBG传感器可以有效地监测电池温度，而且对于不同类型的电池，其温度变化主要由电流密度决定。

FBG传感技术还可以用于内部温度监测，从而更准确地了解电池内部的温度分布，通过将FBG传感器嵌入电池中，研究人员成功地监测了电池内部的温度变化。

这种内部监测方法可以提供更详细和准确的温度分布信息，对于电池系统的性能和安全性评估非常有帮助。

另一种光学传感技术是基于瑞利散射的频域询问系统，可以提供更高的空间分辨率，通过将FBG传感器和瑞利传感器集成到电池中，可以实现对电池组中数千个电池的温度分布监测。

尽管光学传感技术在电池温度监测领域显示出巨大潜力，但在商业应用之前还需要进行更多的研究和验证，以确保传感器的耐久性和可靠性，不过这些技术为电池系统的性能评估和安全性提供了重要的工具，有望推动电池技术的发展。

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光学传感器助力电池健康状态监测

电解质在电池中扮演着至关重要的角色，它在离子传输中发挥着关键作用，电池的循环过程中，电解质中的电化学和化学反应会导致离子和分子浓度的变化。

准确检测这些因素对于揭示电池内部机制以及指示电池的状态健康（SOH）至关重要，可现有的测量这些参数的方法。

如离子色谱法（IC）和电感耦合等离子体质谱法（ICP），需要特殊的设备和昂贵的设置，所以，不适合在电池工作条件下进行实时监控。

幸运的是，光纤传感器已经在电池监测方面取得了一些令人瞩目的进展，其中一种方法是利用光纤传感器来测量电解质的折射率变化，折射率是光经过物质时的速度改变导致的，这就可以用来监测电解质中离子和分子浓度的变化。

这种方法是利用两根平行的光纤，通过一个圆柱形玻璃腔连接，末端有一个反射器，这种光纤传感器的散射光量会随着铅酸电池电解液的折射率变化而变化，而折射率与电池的状态（SOC）呈线性关系。

那么除了这个，还有一种自补偿光纤布拉格光栅（FBG）传感器，该传感器具有两个光波导，因为它应变和折射率之间的相互干扰，这种方法的量化存在一些问题，这就需要更可靠的传感器。

为了提高测量的灵敏度，一种称为表面等离子体共振TFBG（SPR-TFBG）的传感器被引入，SPR-TFBG通过将TFBG的光栅平面倾斜一定角度，并覆盖50 nm厚的金膜，实现了光栅共振与SPR共振的结合，从而提供了更准确的折射率测量方法。

通过调制特定包层模式，研究人员可以监测电池中发生的电化学反应，他们观察到当离子嵌入发生时，光信号的导数呈现出峰值，这可以用来区分H+和Zn2+的嵌入。

这还揭示了它们在电池中的不同时间动力学，这为电池内离子动力学的探索提供了传统电化学技术所无法提供的额外信息。

在超级电容器中，能量的存储和释放是通过离子的吸附来实现的，所以离子的分布与电池的SOC直接相关，可以通过光信号进行实时监测，令人兴奋的是，光信号与SOC之间呈线性关系，这意味着我们可以轻松地实现SOC的实时监测。

通过测量电解质的折射率变化，我们可以追踪电池中的分解机制，并评估电池在循环过程中的稳定性，折射率的分析提供了传统电化学技术所不具备的额外信息，弥补了当前监测方法的不足。

可是折射率分析只能关注整个电解质，无法追踪特定化学物质的分解机制，这需要进一步的研究，折射率分析对于温度和应力/应变的监测仍然存在一些挑战。

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谱测量揭示电池材料的微观变化

电池技术的发展一直受到材料的微观变化的挑战，尤其是在电极和电解液中的化学过程，尽管我们可以通过监测电池的温度、应力/应变和折射率等宏观物理参数来获取信息，但这些参数有时无法准确反映电池内部的电化学变化。

为了更好地理解关键材料的微观变化，研究人员已经开始利用光谱分析技术，以在分子水平上观察电极和电解液的状态。

光谱分析中最直观的方法之一是通过颜色来反映材料的状态变化，比如说石墨的颜色可以反映其锂含量。

这启发了研究人员使用光纤传感器来监测电池的状态（SOC），他们开发了一种称为光纤倏逝波传感器（FOEWS）的多模光纤传感器，将其涂覆在石墨阳极上。

虽然这个传感器在阳极表面发现了一些局部变化，但在一定程度上反映了总体SOC的变化，通过测量500至900纳米范围内的反射光谱。

对于电池中的另一关键材料，磷酸铁锂（LFP），长期以来由于其平坦的电压平台而难以估计其SOC，但研究人员发现通过测量LFP的反射率和透射光谱。

还有一项研究也采用了原位光纤红外光谱技术，以解锁商业钠（锂）离子电池的化学演化，通过使用硫族化合物玻璃光纤，该研究在电池中嵌入了这些光纤，以追踪电解液中的分子动态。

实验结果验证了电池中钠脱嵌的四步机制，并揭示了电解质中各种成分的分解和生成过程，这为我们深入了解电池循环过程中的相变过程提供了重要信息。

通过在软包电池中安装并密封光纤，研究人员能够追踪电解质中的物质变化，包括碳酸亚乙酯(EC)和碳酸亚乙烯酯(VC)，这种方法允许研究人员解码化学反应，从而更好地理解电解质的分解。

此光谱分析技术为我们提供了一种在分子水平上观察电池关键材料微观变化的有力工具，通过测量反射光谱、透射光谱和拉曼光谱。

研究人员能够实时监测电池的状态变化，为电池技术的发展提供了更深入的理解和优化的机会，这些方法的应用将有助于提高电池的性能和寿命，推动电动车和可再生能源存储等领域的发展。

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FBG传感器在全固态电池中的突破应用

在充电和放电过程中，电池会周期性地膨胀和收缩，这与电极材料中锂的部分摩尔体积不同有关，这种体积变化通常由阳极材料主导，为了评估电池材料的反应体积变化，研究人员使用了一些常见的参数，如应变、堆应力和厚度。

这些研究揭示了应力监测与温度一样重要，因为它可以导致性能改进或各种机械退化现象，尤其是在全固态电池等特殊情况下。

因为缺乏适当的传感技术，应变和应力参数尚未有效地集成到电池管理系统（BMS）中，但是，光纤光栅（FBG）传感器的应用正在改变这一状况。

FBG传感器的一个独特优势是可以嵌入电池内部，从而实现对电极尺度上应力的测量，与传统的压力传感器相比。

FBG传感器在尺寸、操作复杂性、局部应力监测、破坏性等方面有一系列优点，所以研究人员开始将这些传感器应用于电池中，以获得有关电极内应力的关键信息。

不同材料需要不同的封装方法，以确保FBG传感器在电池中的有效运行，研究人员已经成功将FBG传感器用于硅阳极和硫阳极，并获得了有价值的数据，这些传感器的应用使我们能够了解电池材料的反应，例如硅锂化和锂硫电池中的机制，以及全固态电池中的化学机械效应。

对于全固态电池，FBG传感器的双折射效应可以用来监测界面接触不良引起的局部应力，在高压下，FBG传感器的光谱会发生分裂，光纤的变形会导致双折射，从而产生两个不同的折射率值.

这使得我们能够区分横向和纵向应力，这对于了解全固态电池中的化学机械效应非常重要。

在商业应用中，通常将FBG传感器放置在电池的外部，特别是软包电池表面，因为它们具有柔韧的表面.

这些传感器可以用于监测电池的SOC和SOH，从而实现电池健康状态的监测，应力/应变的测量可以提供关于电池的安全状态的信息，尤其是在过度充电或钉刺测试等情况下。

应力/应变的监测对于电池的健康状态和性能有着重要的作用，通过FBG传感器，我们可以获得关于电池内部和外部应力的关键信息，从而改善电池的设计和管理.

不过，封装和解耦温度和应力/应变仍然是挑战，需要更多的研究和工程工作来解决这些问题。

结论

可充电电池在消费电子、电动汽车和储能系统中应用广泛，新型光纤传感技术可提供准确测量多个参数，如温度、应变、应力、折射率和光谱，以全面监测电池状态，光纤布拉格光栅（FBG）传感器在温度监测中表现出色，可放置在电池内外，提供更全面、准确的信息。

光学方法还可测量电解质折射率，揭示离子和分子浓度变化，帮助了解电池反应，这种光谱分析技术可在分子水平上观察电极和电解液状态，为电池性能提供更深入理解.

光纤光栅传感器可监测电池应力，改善设计和管理，这些技术将推动电池技术发展，影响电动车和可再生能源储存领域。

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