基于倾斜光纤光栅与啁啾光纤光栅级联的电池电荷状态原位光学监测新方法

本文创新性地提出了一种基于倾斜光纤光栅（TFBG）与啁啾光纤光栅（CFBG）级联的光学传感系统，通过积分面积解调技术实现对铅酸电池电解液折射率（RI）变化的原位监测。该系统将TFBG植入电池内部实时感知电解液浓度变化，CFBG作为外部光谱滤波器将波长调制转换为功率调制，显著提升了动态响应速度并有效抑制温度干扰（22℃–60℃），为电池反应动力学研究和电荷状态（SOC）监测提供了低成本、高可靠性的光学解决方案。

　　

Section snippets

Principle of charging and discharging

铅酸电池采用二氧化铅（PbO₂）作为正极活性物质，多孔金属铅（Pb）作为负极活性物质。放电过程中，电池通过氧化还原反应向外部电路供电，活性物质逐渐转化为硫酸铅（PbSO₄），其电化学反应过程如方程式(1)-(3)所示。

Static calibration

为验证光纤传感器实时监测铅酸电池SOC的可行性，研究人员评估了TFBG及TFBG-CFBG在电解液中的折射率响应特性。通过计算三个特定波长区间（1535 nm–1545 nm、1545.485 nm–1556.073 nm、1556 nm–1566 nm）内TFBG包层模的包络面积与折射率的函数关系，发现...

Conclusion

本研究通过仿真与实验证明，基于TFBG-CFBG的光纤传感系统能够原位实时监测铅酸电池电解液的折射率变化。放电过程中H₂SO₄的消耗导致电解液折射率降低，引发TFBG共振峰蓝移和光功率持续增加——这种功率变化直接反映了电化学反应过程，而放电后部分折射率恢复现象则揭示了电极表面硫酸铅溶解的动态平衡机制。

CRediT authorship contribution statement

Tingting Gang: 项目指导与概念设计；Shanshan Fu: 原始数据采集与论文撰写；Xiaomeng Xu: 实验验证；Qimeng Lin: 可视化分析；Chun Zhang: 软件开发；Qian Zhang: 论文评审与修订。

Declaration of competing interest

作者声明不存在可能影响本研究结果的竞争性经济利益或个人关系。

Acknowledgement

本研究得到国家自然科学基金（项目号62205270）、陕西省教育厅科研计划（24JP139）、陕西省自然科学基金（2023-JCQN-0013、2024JC-YBQN-0691）及西安石油大学研究生创新基金（YCX2413159、YCX2413156）支持。