基于FBG传感的锂离子电池热失控主动安全预警技术研究

《Batteries》：Research on the Active Safety Warning Technology of LIBs Thermal Runaway Based on FBG Sensing Yanli Miao, Xiao Tan, Chenying Li, Jianjun Liu, Ling Sa, Xiaohan Li, Zongjia Qiu and Zhichao Ding

　　

锂离子电池（LIBs）在热滥用条件下可能发生热失控（TR），对储能系统、电动汽车和便携式电子设备构成重大安全风险。为确保LIB供电应用的安全，开发有效的TR早期预警方法至关重要。本研究采用聚酰亚胺涂覆的飞秒光纤布拉格光栅（FBG）传感器，研究18,650 LIBs（LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂/石墨）的TR特性，包括TR起始温度测定以及不同荷电状态（SOCs）下温度和径向应变的演变。与现有研究相比，本研究采用的聚酰亚胺涂覆飞秒FBG具有优越的抗断裂性和耐高温性，可实现更精确的温度和应变测量。对于高温诱导LIBs热失控实验中获得的径向应变监测，利用聚酰亚胺涂覆飞秒FBG温度传感器实现了温度补偿，获得了更高精度的应变演变曲线。实验结果表明，较高SOC的LIBs表现出更剧烈的TR爆发，其峰值温度比低SOC LIBs高1.76倍，质量损失高1.3倍。提出的方案开创了一种有效的LIBs热失控主动安全预警新方法。

该论文发表在《Batteries》上。研究背景方面，锂离子电池（LIBs）因高能量密度和易燃有机电解质而存在热失控（TR）风险，传统电池管理系统（BMS）依赖电压和温度传感器，但电压降是滞后指标，无法提供及时预警；温度监测虽更可靠，但传统热电偶存在体积大、响应慢等局限。为此，研究人员利用基于飞秒光纤布拉格光栅（FBG）的传感技术开展研究，旨在开发一种高精度、可实时监测LIBs表面温度和径向应变的新型主动安全预警方法，以提升LIBs应用的安全性。研究人员选用18,650圆柱电池（LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂/石墨，额定容量2 Ah），采用聚酰亚胺涂覆飞秒FBG传感器（温度灵敏度~10 pm/°C，应变灵敏度~1.2 pm/με）进行监测。实验在密封不锈钢容器中进行，通过智能PID温度控制器梯度加热（60°C至170°C，每步保持20 min）诱导TR，在25%、50%、75%和100%四种荷电状态（SOC）下分别进行≥3次重复实验。主要关键技术方法包括：①使用聚酰亚胺涂覆飞秒FBG传感器进行温度/应变双参数监测（温度传感器进行温度补偿以获取纯净应变演化曲线）；②将FBG传感器以周向安装方式固定在LIB表面，一端固定一端自由以消除应变耦合误差；③采用密封压力容器和合成空气气氛控制实验环境，通过压力变送器记录容器内压变化。这些方法实现了对TR过程中温度与径向应变的高精度、抗高温实时测量。研究结果部分保留原文小标题格式进行介绍：**3. Experimental Results and Discussion**：通过不同SOC下TR实验（25% SOC起始温度最低120°C，50%/75%/100% SOC起始温度均在170°C附近），发现高SOC LIBs的TR更剧烈：100% SOC时峰值温度约640°C（比25% SOC高约400°C），表面温度在5秒内从173°C骤升至640°C，随后8秒内降至152°C（电极/电解质反应完成），容器压力瞬间升至0.6 MPa后2秒内回落至0.13 MPa；质量损失率（MLR）随SOC升高而增大（25% SOC为16.74%，75% SOC约20%，100% SOC达38.56%）。FBG传感器与K型热电偶测得的温度曲线高度吻合，验证了FBG在TR监测中的可靠性。径向应变在TR前随温度稳步上升，在TR起始时刻出现突然尖峰，并与温度峰值同步，表明应变与温度存在良好一致性。在结论部分，研究人员总结出：基于聚酰亚胺涂覆飞秒FBG的TR主动安全预警方法通过实时测量LIBs表面温度和径向应变，实现了对TR起始温度的准确判定（定义表面温度变化率首次超过3°C/s的时刻为TR起始点）；高SOC加剧了TR严重程度和安全风险；该研究为FBG温度/应变传感技术在LIBs热失控主动安全预警中的应用提供了技术验证和案例支持，有助于设计更安全的LIBs和更可靠的储能应用。