植入光纖傳感器給電池“問診”

可充電電池作為最通用的儲(chǔ)能技術(shù)之一，在從化石燃料向可再生能源的過渡中發(fā)揮著核心作用。這種日益增長(zhǎng)的需求使得電池的可靠性和壽命性能比以往任何時(shí)候都更加重要，從而凸顯出準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)電池功能狀態(tài)的重要性，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池在運(yùn)行過程中的動(dòng)態(tài)化學(xué)和熱狀態(tài)變化，這是保證其安全性和可靠性不受到損壞的關(guān)鍵所在。

近日，法國(guó)科學(xué)院院士、英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士Jean-Marie Tarascon教授作為通訊作者在《自然—能源》上發(fā)文稱，他們使用傳統(tǒng)的單?；蛘呶⒚捉Y(jié)構(gòu)纖維的光纖光柵傳感器(FBS)，制備出了具有光學(xué)傳感功能的電池，成功同時(shí)解鎖電化學(xué)電池循環(huán)過程中的溫度和壓力的高精度監(jiān)測(cè)，這也是之前從未實(shí)現(xiàn)的成就。

研究表明，通過調(diào)整纖維形態(tài)和與溫度和壓力相關(guān)的波長(zhǎng)，就能夠精確測(cè)量電池循環(huán)過程中的化學(xué)變化，如固體電解質(zhì)相間(SEI)形成和結(jié)構(gòu)演化等，大大提高了理解循環(huán)過程中電池副反應(yīng)和界面生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的能力。

此外，作者還演示了在不需要使用微量熱法的情況下，如何使用多個(gè)傳感器來確定電池產(chǎn)生的熱量的策略。與傳統(tǒng)的等溫量熱法不同，電池的熱容量貢獻(xiàn)很容易被評(píng)估，允許完全參數(shù)化的熱模型。

不僅如此，這項(xiàng)研究可以同時(shí)應(yīng)用于鈉離子和鋰離子電池，無論在商業(yè)化的18650電池，還是在軟包電池中，均能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確無誤的監(jiān)測(cè)。更加重要的是，光學(xué)傳感還可以監(jiān)測(cè)扣式電池中老化的關(guān)鍵熱力學(xué)參數(shù)。

而無論是鈉離子電池還是鋰離子電池，在使用不同的電解液或者不同類型的電池的情況下，均能保證測(cè)試的準(zhǔn)確性。這些發(fā)現(xiàn)為篩選電解質(zhì)添加劑、快速識(shí)別商業(yè)化電池的最佳形成過程和設(shè)計(jì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)提供了一種可擴(kuò)展的解決方案，也為電池發(fā)展注入了新的活力。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41560-020-0665-y