基于U型损耗模共振光纤传感器的锂离子电池温度监测技术研究

本研究针对锂离子电池(LIB)温度监测难题，创新性地开发了一种封装式U型损耗模共振(LMR)光纤传感器，通过石墨烯氧化物(GO)/聚乙烯亚胺(PEI)薄膜诱导共振，结合聚二甲基硅氧烷(PDMS)温敏封装层，实现了-0.0072 A.U./°C的灵敏度与0.99的线性度，为能源存储设备提供了高精度、抗干扰的温度量化方案。

　　

在能源转型与碳中和背景下，锂离子电池(LIB)作为电动汽车和便携电子设备的核心组件，其性能与寿命高度依赖温度控制。然而，传统热电偶存在电磁干扰、单点监测局限等问题，而光纤布拉格光栅(FBG)传感器虽具抗干扰优势，却面临制造复杂、成本高昂的瓶颈。为此，Keith M. Alcock团队在《Sensors and Actuators A: Physical》发表研究，首次将损耗模共振(LMR)技术与U型光纤结构结合，开发出可精准监测LIB温度的新型光学传感器。

研究团队采用三项关键技术：1）通过火焰加热法制备直径1.6 mm的U型光纤探头，增强倏逝场与敏感薄膜的相互作用；2）采用层层自组装(LbL)技术在光纤表面沉积聚乙烯亚胺(PEI)/石墨烯氧化物(GO)三层薄膜(厚度约46 nm)以诱导LMR效应；3）用3D打印模具封装聚二甲基硅氧烷(PDMS)温敏层，利用其折射率随温度线性变化(1.4085@20°C至1.3907@60°C)的特性实现信号转换。

电池放电响应

对INR18650MJ1电池进行1C-2.5C放电测试，发现2.5C放电时电池表面温度最高达47.64°C，ΔT达23.07°C，验证了温度监测的必要性。

传感器性能

1）LMR薄膜响应：三 bilayer PEI/GO薄膜使吸收峰从401.3 nm红移至424.14 nm，封装后峰值达1.33 A.U.@505.54 nm；

2）温敏特性：PDMS折射率变化驱动吸收峰偏移，2.5C放电时ΔA.U./ΔT灵敏度达-0.0072，线性度R²=0.99；

3）动态响应：在0.75-55°C骤变环境中，传感器响应时间为4.4秒，18个月后性能偏差仅±0.3秒。

该研究开创了LMR传感器在电化学储能领域的应用先例，其U型设计通过吸收变化而非波长偏移实现检测，降低了微型光谱仪(350-810 nm)的成本要求。相比FBG传感器，该技术无需复杂激光刻写系统，灵敏度(-0.39 nm/°C)与分辨率(0.33°C)媲美IEC标准K型热电偶，为LIB的实时热管理提供了经济可靠的解决方案。未来通过优化PDMS厚度或开发混合光纤结构，可进一步提升响应速度，推动光学传感技术在智能电池系统中的规模化应用。