手機爆炸、電動汽車行駛或充電過程中的火災事故在生活中經(jīng)?？梢姡屓藗冊谙硎茕囯姵貛淼谋憷耐瑫r，也擔心其在安全方面的重大問題。如何降低這一風險？

近日，中國科學技術(shù)大學教授孫金華、研究員王青松團隊與暨南大學教授郭團團隊研制出一款可植入電池內(nèi)部的高精度光纖傳感器。相關(guān)研究成果日前在線發(fā)表于《自然-通訊》。

“這款高精度光纖傳感器可以在1000攝氏度的高溫、高壓環(huán)境下正常工作，同步測量出電池熱失控全過程內(nèi)部溫度和壓力，為快速切斷電池熱失控鏈式反應(yīng)提供預警手段?！蓖跚嗨上颉吨袊茖W報》介紹。

破解國際性科學難題

手機、筆記本電腦、電動自行車、電動汽車中都有一個關(guān)鍵部件——鋰離子電池。隨著全球范圍內(nèi)能源危機的出現(xiàn)、“雙碳”目標的驅(qū)動，鋰離子電池產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。

然而，鋰離子電池常常會發(fā)生爆炸，也就是熱失控，這是威脅電池安全的“癌癥”，是制約電動汽車與新型儲能規(guī)?；l(fā)展的瓶頸。

研究表明，電池熱失控源于電池內(nèi)部一系列復雜且相互關(guān)聯(lián)的“鏈式反應(yīng)”?！斑@可以從電池內(nèi)部和外部兩方面討論。從內(nèi)部來看，電池由正負極、電解液、隔膜等組成，其中電解液和隔膜都是易燃物，正負極和電解液在一定溫度下又會產(chǎn)生化學反應(yīng)，進而產(chǎn)生熱量和可燃氣體。也就是說，電池內(nèi)部本身就是一個熱不穩(wěn)定的體系?！蓖跚嗨烧f。

從外部來看，電池在使用過程中容易出現(xiàn)各種外部濫用：電濫用，如過充、過放等；熱濫用，如高溫、局部發(fā)熱等；機械濫用，如撞擊、擠壓等。這些外部濫用會造成電池內(nèi)部材料發(fā)生一系列連鎖化學反應(yīng)，電池內(nèi)部溫度快速提升，最高可達800攝氏度，導致電池起火或爆炸。

如何科學、及時、準確地預判電池安全隱患，是當前電池安全領(lǐng)域的國際性科學難題。

為攻克這一難題，研究團隊提出一種可植入電池內(nèi)部的高精度光纖傳感器，在國際上率先實現(xiàn)對商業(yè)化鋰電池熱失控全過程的精準分析與提早預警。

《自然-通訊》的一位審稿專家評價道，“該研究有助于電池健康狀態(tài)監(jiān)測，并在不可逆損害前發(fā)出預警信號。”

小巧光纖實時監(jiān)測電池健康狀態(tài)

將光纖植入電池，并非王青松等人首創(chuàng)。

因光纖傳感器具備體積小、重量輕、耐受高溫高壓、耐受電解液腐蝕等優(yōu)勢，前人將其植入電池。但他們主要測量的是電池循環(huán)過程中的內(nèi)部參數(shù)，從未涉足電池熱失控監(jiān)測領(lǐng)域。

于是，王青松等人想將光纖植入電池內(nèi)部，以監(jiān)測電池熱失控過程，并探索電池內(nèi)部參數(shù)能否為電池熱失控預警提供新思路。

研究思路有了，做起來卻非常難，因為現(xiàn)有的大多數(shù)光纖傳感器無法在熱失控過程中“幸存”。

王青松解釋說，電池熱失控過程中，內(nèi)部壓力高達2MPa、溫度高達500至800攝氏度，在這種高溫高壓的沖擊下，光纖信號會中斷，無法測得電池內(nèi)部溫度和壓力數(shù)據(jù)。

研究的關(guān)鍵是開發(fā)一款“健壯”的光纖傳感器。他們與郭團團隊聯(lián)合攻關(guān)，多次改進光纖結(jié)構(gòu)，開展熱失控實驗，反復修改和驗證，最終通過對光纖進行套管保護，在保證內(nèi)部信號傳輸?shù)耐瑫r解決了光纖容易斷的難題。

“這款高精度光纖傳感器總長度12毫米、直徑125毫米，能夠植入商業(yè)18650電池，實時監(jiān)測電池熱失控期間的內(nèi)部溫度和壓力影響。”王青松向《中國科學報》介紹了光纖傳感器的結(jié)構(gòu)。

相比現(xiàn)有的外部監(jiān)測技術(shù)，內(nèi)部光纖傳感技術(shù)更具有及時性、靈活性。

“就好比人們患病，當感知到疼痛時，往往為時已晚。這就像電池外部特征的變化一般都是滯后的?！蓖跚嗨山忉尩?，“而去醫(yī)院體檢，可以通過CT等看到內(nèi)部器官變化，從而預知疾病的發(fā)生，并通過治療手段阻止疾病進一步發(fā)展。但這種大型設(shè)備體積龐大，無法隨時隨地監(jiān)測內(nèi)部狀態(tài)變化。如果在人體內(nèi)植入芯片，就可以做到實時跟蹤預警。就像在電池內(nèi)部植入光纖傳感器，可以做到實時監(jiān)測預警?！?