重大突破！兩位學(xué)術(shù)大牛聯(lián)手攻克儲(chǔ)能安全頑疾

中科大的王青松和暨南大學(xué)的郭團(tuán)，在鋰電池熱失控預(yù)警領(lǐng)域取得了重大突破。

文/NE-SALON新能薈小編團(tuán)

近年來(lái)，隨著新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，儲(chǔ)能行業(yè)也快速發(fā)展起來(lái)，伴隨而來(lái)的即是儲(chǔ)能安全問(wèn)題。8月25日，國(guó)家消防救援局科技處（東區(qū)）處長(zhǎng)張全靈在一場(chǎng)研討會(huì)上表示“以電化學(xué)儲(chǔ)能為代表的新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了新的安全問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)際和國(guó)內(nèi)發(fā)生的儲(chǔ)能電站安全事故達(dá)到80余起，引起全球廣泛關(guān)注。”

01. 孫金華院士?jī)?chǔ)能電站每年發(fā)生事故的概率約為6‰

歐盟科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授孫金華提供的數(shù)據(jù)顯示截至2022年底，我國(guó)500kWh以上的儲(chǔ)能電站772座，運(yùn)行中472座，公開(kāi)報(bào)道火災(zāi)3起，儲(chǔ)能電站每年發(fā)生事故的概率約為千分之六，火災(zāi)事故發(fā)生率還處在一個(gè)比較高的范圍。

應(yīng)急管理部天津消防研究所副所長(zhǎng)魯志寶同樣提到，近年來(lái)不同形式的儲(chǔ)能均發(fā)生了安全事故，儲(chǔ)能安全技術(shù)研發(fā)需求最迫切。熱失控是絕大多數(shù)電化學(xué)儲(chǔ)能事故的元兇，它是制約電動(dòng)汽車與新型儲(chǔ)能規(guī)?；l(fā)展的瓶頸。導(dǎo)致電池?zé)崾Э氐母词请姵貎?nèi)部一系列復(fù)雜且相互關(guān)聯(lián)的“鏈?zhǔn)礁狈磻?yīng)”，這使得電池內(nèi)部溫度快速提升，可高達(dá)800℃以上，從而引發(fā)電池起火爆炸。因此，亟須深入理解鋰離子電池熱失控演變機(jī)制，并提出早期預(yù)警策略，防止爆炸事故的發(fā)生。

02、一場(chǎng)學(xué)術(shù)會(huì)議的邂逅，或?qū)⑼苿?dòng)儲(chǔ)能大發(fā)展

近日，來(lái)自中科大的王青松研究員和暨南大學(xué)的郭團(tuán)研究員，便在該領(lǐng)域取得了重大突破。對(duì)于王青松教授，相信各位電池行業(yè)人士都有所耳聞，但是研究光纖傳感的郭團(tuán)教授怎么就和儲(chǔ)能安全聯(lián)系在一起了呢？

據(jù)悉，二人相識(shí)于一場(chǎng)學(xué)術(shù)會(huì)議，在聽(tīng)完王青松關(guān)于電池?zé)崾Э氐难葜v后，郭團(tuán)立刻產(chǎn)生了一個(gè)新的思路，他認(rèn)為光纖傳感技術(shù)可以監(jiān)測(cè)電池內(nèi)部狀態(tài)，從而在電池?zé)崾Э仡I(lǐng)域發(fā)揮重要作用。于是，郭團(tuán)于2020年前往火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，與王青松展開(kāi)深入的交流，詳細(xì)闡述了光纖傳感的原理、特征以及應(yīng)用領(lǐng)域。

在這次交流中，他們共同發(fā)現(xiàn)電池?zé)崾Э仡I(lǐng)域在光纖傳感方面存在明顯的研究空白。這一發(fā)現(xiàn)讓雙方興致勃勃，決定立刻合作開(kāi)展光纖傳感監(jiān)測(cè)電池?zé)崾Э貎?nèi)部狀態(tài)的研究。不久之后，王青松團(tuán)隊(duì)前往暨南大學(xué)，開(kāi)始進(jìn)行電池打孔和循環(huán)過(guò)程中內(nèi)部溫度測(cè)試。

然而，由于2020年的疫情原因，原計(jì)劃的實(shí)驗(yàn)被迫推遲。盡管如此，兩方一直在各自領(lǐng)域不懈努力。郭團(tuán)的團(tuán)隊(duì)著手研發(fā)適用于電池內(nèi)部的溫度和壓力傳感器，而王青松則逐漸熟悉電池打孔操作，同時(shí)確定了熱失控實(shí)驗(yàn)的方案。

終于，2021年10月，王青松的課題組博士生攜帶電池和必要設(shè)備前往暨南大學(xué)，成功完成了對(duì)18650電池的打孔操作，并將光纖溫度傳感器嵌入其中。在電池不同倍率的循環(huán)過(guò)程中，他們也成功測(cè)量了電池內(nèi)部的溫度。

這項(xiàng)研究的關(guān)鍵在于他們提出了一種耐高溫的光纖光柵傳感器，利用飛秒激光制備，成功監(jiān)測(cè)到了電池在不同倍率充放電過(guò)程中內(nèi)外部溫度的差異。這一重要成果于2022年發(fā)表在Measurement雜志上。這不僅是雙方合作的第一個(gè)成果，也為未來(lái)熱失控研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

03、小小光纖，給鋰電池量量“體溫”

據(jù)了解，光纖與鋰離子電池結(jié)合的研究起初始于2013年，由葡萄牙阿威羅大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)首次提出并應(yīng)用光纖技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)鋰離子電池內(nèi)部溫度。這標(biāo)志著在過(guò)去的十年里，全球?qū)W界一直在不懈努力，探索如何使用光纖來(lái)監(jiān)測(cè)電池的內(nèi)部特性，包括溫度、壓力、應(yīng)變等等。

但是，熱失控領(lǐng)域卻一直沒(méi)有研究者著手研究。這是因?yàn)樵陔姵匕l(fā)生熱失控的情況下，內(nèi)部壓力可以高達(dá)2MPa，溫度也能達(dá)到500至800攝氏度。在如此高溫高壓的環(huán)境下，光纖信號(hào)常常會(huì)中斷，這就導(dǎo)致無(wú)法獲取電池內(nèi)部溫度和壓力的數(shù)據(jù)。

而經(jīng)過(guò)王青松和郭團(tuán)團(tuán)隊(duì)的共同努力，一款通過(guò)套管保護(hù)的光纖最終被制備，這既保證了內(nèi)部信號(hào)傳輸，也解決了光纖易斷的問(wèn)題。

王青松解釋說(shuō)“這款高精度光纖傳感器的總長(zhǎng)度為12毫米，直徑為125毫米，可以輕松植入商業(yè)18650電池，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池在熱失控期間的內(nèi)部溫度和壓力變化。” 與現(xiàn)有的外部監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，內(nèi)部光纖傳感技術(shù)更具有實(shí)時(shí)性和靈活性，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并發(fā)出預(yù)警信號(hào)。”

此外，王青松和郭團(tuán)的團(tuán)隊(duì)還通過(guò)分析壓力和溫度的變化速率，首次發(fā)現(xiàn)了電池?zé)崾Э卦缙陬A(yù)警區(qū)間的溫度和壓力變化速率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這一發(fā)現(xiàn)適用于不同電量的電池，可以在電池發(fā)生“不可逆反應(yīng)”之前發(fā)出預(yù)警信號(hào)，確保了電池的后續(xù)安全使用。這一研究成果已經(jīng)在Nature Communications上發(fā)表。

目前，研究團(tuán)隊(duì)正在積極與電池制造商合作，希望在電池制造過(guò)程中植入光纖傳感器，從而避免對(duì)電池造成二次破壞，加速光纖傳感技術(shù)在儲(chǔ)能和新能源汽車電池管理系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)程。這一創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展將不僅提高電池的性能和安全性，還有望為鋰電行業(yè)帶來(lái)革命性的變革。

【個(gè)人簡(jiǎn)介】

王青松，1977年11月出生于河南，畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員，中國(guó)區(qū)儲(chǔ)能委員會(huì)儲(chǔ)能技術(shù)委員會(huì)系統(tǒng)與裝備分委會(huì)常務(wù)理事。主要研究方向?yàn)殇囯x子電池火災(zāi)動(dòng)力學(xué)機(jī)理、鋰離子電池火災(zāi)防控技術(shù)，為新能源汽車、電化學(xué)儲(chǔ)能、光伏、風(fēng)電等新能源系統(tǒng)消防解決方案。

郭團(tuán)，1979年出生，2001年和2004年在西安石油大學(xué)電子工程系獲得學(xué)士和碩士學(xué)位；2007年在南開(kāi)大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研究所獲得博士學(xué)位。2007年-2008年，在加拿大卡爾頓大學(xué)從事博士后研究；2008年至2010年，在香港理工大學(xué)從事校聘博士后研究。2010年11月加入暨南大學(xué)光子技術(shù)研究所，任副教授；2014年晉升為研究員。主要從事生物光子學(xué)、光纖傳感、光子器件等領(lǐng)域研究。國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者，廣東省特支計(jì)劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，暨南大學(xué)國(guó)華杰出學(xué)者。來(lái)源NE-SALON新能薈G

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