综述：嵌入式光纤传感器在电池多参数原位监测中的研究展望

【编辑推荐】本综述系统阐述了嵌入式光纤传感器（FBG/TFBG等）在锂离子电池（LIBs）多参数原位监测中的突破性应用，涵盖温度/应变/折射率等多物理场耦合诊断，提出通过结构创新解决光纤布拉格光栅（FBG）交叉敏感性、结合人工智能（AI）等靶向策略，为智能电池（ESSs/EVs应用）安全监测提供方法论路线图。

　　

先进电池光纤传感器

在碳中和目标驱动下，锂离子电池（LIBs）因其高能量密度和长循环寿命成为电动汽车（EVs）和固定储能系统（ESSs）的核心动力源。然而频发的热失控事件暴露了传统监测技术的局限性——无法实时追踪电池内部多参数变化。光纤传感器凭借微米级尺寸（125 μm）、抗电磁干扰特性及多路复用能力脱颖而出，其分类包括：

• 光纤光栅传感器：以光纤布拉格光栅（FBG）为代表，通过反射波长偏移感知温度/应变；
• 干涉型传感器：利用马赫-曾德尔干涉仪（MZI）监测电解液折射率变化；
• 倏逝波传感器：通过包层修饰增强对气体副产物的灵敏度；
• 分布式传感器：基于拉曼散射实现全电池温度场成像。

单参数监测进展

温度监测方面，传统表面贴装热电偶因空间分辨率不足难以捕捉内部热积聚。FBG传感器可植入电极/隔膜界面，实时记录充放电过程中局部温升，精度达±0.5°C。研究证实温度梯度会加速锂枝晶生长，引发容量衰减。

应变监测中，FBG通过波长漂移反映电极体积变化（硅负极膨胀率>300%），其动态范围优于传统应变片。某团队将FBG嵌入18650电池，成功捕捉到石墨负极锂嵌入导致的2.3%应变波动。

多参数协同诊断

突破性进展体现在单光纤集成多传感单元：

• 温度-压力联测：微结构FBG同时解析热失控初期产气压力（0-5 MPa）与温度（20-120°C）的耦合关系；
• 折射率-温度解耦：倾斜光纤光栅（TFBG）通过包层模式分离电解液浓度与温度信号，误差<3%；
• 老化-温度关联：荧光光纤传感器通过寿命衰减系数定量评估循环老化程度。

挑战与产业化路径

当前瓶颈包括：传感器植入导致的电解液浸润性下降、FBG温度/应变交叉敏感性（需新型啁啾光栅设计）、以及高昂解调仪成本（约$15,000/台）。解决方案提出：

1. 开发柔性光子晶体光纤减少机械侵入性；
2. 采用深度学习算法实现多参数实时解耦；
3. 与固态电解质兼容性优化。

未来展望

下一代智能电池将融合光纤传感网络与数字孪生技术，实现从"事后报警"到"早期预测"的范式转变。通过标准化工序嵌入工艺和AI驱动的大数据分析，该技术有望在2030年前将储能系统故障预警准确率提升至95%以上。