《Journal of Energy Storage》：In-situ diagnostics of lithium-ion cell parameters using optical fiber Bragg grating technology
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摘要
锂离子电池的电池管理系统（BMS）主要依赖外部可测量参数，如电压、电流和表面温度。另一方面，电池外部参数的变化滞后于电池内部物理状态的变化以及锂离子电池内部发生的复杂过程。缺乏能够解析锂离子电池内部热-机械状态的可靠原位诊断工具，仍然是电池管理系统和安全
摘要
锂离子电池的电池管理系统（BMS）主要依赖外部可测量参数，如电压、电流和表面温度。另一方面，电池外部参数的变化滞后于电池内部物理状态的变化以及锂离子电池内部发生的复杂过程。缺乏能够解析锂离子电池内部热-机械状态的可靠原位诊断工具，仍然是电池管理系统和安全导向设计面临的重大挑战。本研究旨在对锂离子电池的内部热行为进行实验研究。研究人员将刻有多个光纤布拉格光栅（FBG）传感器的裸光纤嵌入到改良的锂离子电池中。在不同恒流放电倍率和环境温度下进行了充放电循环实验。对内部温度分布图的实验评估揭示了局部热点。此外，研究人员识别出电池的“呼吸效应”，其特征为电池运行期间内部应变变化引起的电池体积变化，并确认了其与荷电状态（SOC）变化的关联。
论文解读文章
锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命和高效率，已成为电动汽车、便携式电子设备和电网储能领域的首选。然而，锂离子电池仍面临严峻的安全挑战，尤其是热失控风险。热失控是由不受控制的热量产生和传播引起的危险现象，此外，电池的老化与退化过程也直接取决于运行和存储期间的电池温度。电池管理系统（BMS）作为多功能系统，负责控制和管理电池组或单个电芯，使其保持在安全运行范围内，并估算荷电状态（SOC）和健康状态（SOH）等关键指标。近年来，温度状态（SOT）已被增补为锂离子电池的关键内部状态，用以指示其热状况。BMS估计算法的输入数据是实时测量的外部参数，如电压、电流和表面温度。然而，电池电压和容量的变化往往滞后于电池内部物理状态的改变。由于锂离子电池内部过程的复杂性，仅依赖外部参数测量可能会低估真实的内部温度和状态指标，从而限制BMS的精度。《Battery 2030+ Roadmap》明确指出，对运行中锂离子电池内部参数的实验研究对于改进电池模型和开发智能电池至关重要。当前，缺乏能够解析锂离子电池内部热-机械状态的可靠原位诊断工具，是电池管理系统和安全导向设计面临的重大挑战。
针对上述问题，本研究旨在利用光纤布拉格光栅（FBG）传感器技术，通过实验研究锂离子电池的内部热行为，为智能电池的开发提供支持。研究人员与Tadiran Batteries Ltd.及巴伊兰大学Malachi Noked教授团队合作，制备了专用的“定制”改良电池和参考电池。FBG传感器因其复用能力、耐腐蚀性、电绝缘性以及能以最小干扰集成到锂离子电池结构中的优势而被选用。本研究的创新点在于提供了改良电池内部空间和时间温度分布的详细见解、内部测量的应变变化与SOC及电池内位置的关系，以及FBG传感技术在锂离子电池内部测量应用中的详细见解。
为开展研究，研究人员采用了一套主要的关键技术方法。首先，在电池制造过程中，将三根带有九个准分布式FBG传感器的裸光纤，手动放置在阴极层和隔膜层之间，嵌入到软包电池中。实验系统由TEXIO电池测试系统、光学测量系统、气候室和数据采集系统（DAQ）组成。光学测量系统采用FiSpec FBG X400解调仪，其工作频率为10 Hz。实验在两种模式下进行：第一系列在25°C固定环境温度下，以1C至6C的不同恒流（CC）放电倍率放电；第二系列在10°C、25°C和35°C的环境温度下，以1C倍率放电。样本包括三个参考电池和两个改良电池，所有电池均经过Tadiran Batteries Ltd.协议的化成过程。
研究结果显示，内部温度分布图揭示了改良电池表面温度与内部温度之间存在显著差异。热点位于极耳焊接到集流体箔的位置，这是由于极耳处的电阻接触产生了焦耳热。在CC放电模式结束时，电池内部温升可超过表面温升的三倍。尤为重要的是，在1C倍率放电且环境温度分别为10°C、25°C和35°C时，表面温升几乎相同，但内部热行为差异显著：在10°C环境温度下，热点位置的温度升高约15°C，而在25°C和35°C环境温度下，温升仅为6°C。这一差异表明，仅依靠表面温度测量无法捕获电池的内部热状态，在特定运行条件下可能显著低估局部内部发热。此外，研究人员识别并确认了电池“呼吸效应”与SOC变化的关联，即由于内部应变变化导致的电池体积变化。通过分析FBG传感器的波长位移，发现SOC波长位移（ΔλSOC）在环境温度25°C和35°C时最大变化为22 pm，而在10°C环境下，在FBG传感器8和9区域观察到接近100 pm的显著更大变化。这表明环境温度变化对电池变形的影响大于放电电流负载，揭示了电池内部更大的内应力变化。同时，观察到电池内部存在非均匀应变分布，部分传感器间波长位移趋势相反，表明电池内部应变分布的不均匀性。
在讨论中，研究人员指出，尽管SOC波长位移的线性近似为温度估算引入了低于2°C的不确定性，但该方法在现阶段研究中是合理的，因为它不会改变温度的整体行为、内部温度的空间分布或研究的主要结论。这一方法对于解耦温度和应变效应至关重要。研究结论部分指出，通过将“SOC波长位移”作为SOC估计和电池健康评估的潜在指标，本研究首次在跨越锂离子电池整个长度的多个点上估算了电池内部的“呼吸效应”。该指标目前为实验室级别，其估算需要环境温度下的开路静止条件。未来，先进光学传感技术的进一步方法学发展和验证，将有助于科学家更深入地理解电池失效机制，并向多参数监测和早期危害预测迈进。该研究成果发表在《Journal of Energy Storage》期刊上。
