光纖原位監(jiān)測電池熱失控內(nèi)部特征及早期預警區(qū)間的建立

本報訊  近日，暨南大學郭團研究員和中國科學技術(shù)大學王青松研究員團隊在鋰離子電池熱失控光纖檢測早期預警領(lǐng)域取得了重要成果。該研究可為快速切斷電池熱失控鏈式反應提供預警手段。
　　該研究成果以《基于先進光纖傳感技術(shù)的商用鋰離子電池熱失控原位監(jiān)測（Operando monitoring of thermal runaway in commercial lithium-ion cells via advanced lab-on-fiber technologies）》為題，已于2023年8月29日發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）雜志上。
　　隨著全球能源危機的日益凸顯，以鋰離子電池為代表的高能量密度、長續(xù)航能力、可移動電化學儲能設備在智能電動汽車、綠色儲能電站等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了蓬勃發(fā)展。然而，頻繁發(fā)生的電池起火爆炸等安全事故問題嚴重制約了鋰離子電池的進一步發(fā)展，其共性原因是由于電池熱失控。
　　導致電池熱失控的根源，是電池內(nèi)部一系列復雜且相互關(guān)聯(lián)的“鏈式副反應”。最具代表性的鏈式反應包括：外部電、熱、機械濫用→內(nèi)部產(chǎn)熱→SEI膜分解→隔膜熔化→內(nèi)部短路→安全閥開啟→正極與電解液劇烈反應→電解液分解并產(chǎn)氣→電解液與氣體燃燒→起火爆炸。從局部短路到大面積短路，電池內(nèi)部溫度快速提升，可高達800℃以上，引發(fā)電池起火爆炸。
　　如何溯源電池熱失控發(fā)生的內(nèi)在誘因，厘清各分步反應之間的耦聯(lián)關(guān)系，揭示熱失控主導機制與動力學規(guī)律，前移熱失控預警時間窗口是從根本上解決儲能安全問題的核心。然而，由于電池的密閉結(jié)構(gòu)和內(nèi)部復雜的反應機制，電池內(nèi)部核心狀態(tài)參量檢測的準確性和實時性無法保證。具有“透視”檢測能力的科學儀器（如中子衍射、X射線衍射、冷凍電鏡等），由于儀器體積龐大、價格昂貴，無法應用于電池使用終端。如何科學、及時、準確地預判電池安全隱患，已成為當前電池安全領(lǐng)域的國際性科學難題。
　　為了攻克這一科學難題，暨南大學和中國科學技術(shù)大學研究團隊提出了一種可植入電池內(nèi)部的多模態(tài)集成光纖原位監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)了對商業(yè)化鋰電池熱失控全過程的精準分析與提早預警。
　　現(xiàn)階段，該團隊已設計并成功研制出可在1000 ℃的高溫高壓環(huán)境下正常工作的多模態(tài)集成光纖傳感器，實現(xiàn)了對電池熱失控全過程內(nèi)部溫度和壓力的同步精準測量，攻克了熱失控極端環(huán)境下溫度與壓力信號相互串擾的難題，并提出解耦電池產(chǎn)熱和氣壓變化速率的新方法，發(fā)現(xiàn)了觸發(fā)電池熱失控鏈式反應的特征拐點與共性規(guī)律，實現(xiàn)了對電池內(nèi)部微觀“不可逆反應”的精準判別。當前，該研究可為快速切斷電池熱失控鏈式反應提供預警手段。