近年来，可充电电池在。消费电子。、电动汽车和大规模动力贮存体系中得到了敏捷开展，特别是电动汽车的爆发式添加使电池的质量、牢靠性和寿数（QRL）成为愈加要害的要素。为了保证电池的长时刻运用和杰出功用，电池办理。体系（BMS）的开展至关重要，而BMS的准确性依赖于对电池要害。参数。（如电压、。电流。和温度）的准确监测。但是，传统的BMS仅能监测这些外部参数，无法有用反映电池内部状况，且现有技能难以满意日益添加的电池健康监测需求。为处理这一问题，新的电池。传感技能。应运而生，要求具有高灵敏度、多功用、小型化以及易于完成等特性。这些技能能够完成更多参数的准确丈量，然后更准确地监测电池的健康状况，及时发现老化痕迹。新技能还能够协助研讨人员深化了解电池中的法拉第化学进程、相变以及。电子。和离子传输等现象，有助于优化功用并推进新式高能量密度电池的研制，如锂硫电池、锂空气电池和固态电池。


光纤。传感器。近年来因其共同的优势而遭到广泛重视。与传统。电气。传感器比较，光纤传感器体积小、化学慵懒强，适宜在电池外表或内部大规模布置。它们具有高灵敏度，能够。检测。多种参数，如温度、应变、应力，乃至电解液的折射率等，还具有强壮的多路复用才能，能够在单根光纤上集成多个传感器，监测电池的不同方位和不同参数。国家杰青黄云辉教授。在本文中：总述了光纤传感器在电池监测中的运用，要点介绍了四个要害参数：温度、应变/应力、电解液的折射率（RI）和电池中要害资料的光谱特征。并探讨了这些参数与电池的充电状况（SOC）和健康状况（SOH）之间的联络。经过对多种。光学。办法的评论，包含传感器埋入电池内部或外部附加的办法，本文也企图提醒光学电池传感技能在大规模办理和商业化运用中的开展方向。

跟着“。智能。电池”概念的提出，可充电电池的实时传感在基础研讨和实践运用中变得越来越重要。但是，许多传统的传感技能存在灵敏度低、体积大和电磁搅扰等问题，使其在电池的杂乱且苛刻的电化学环境中无法运用。光学传感器。作为一种代替计划，能够完成多参数、多点一起丈量，因而遭到了广泛重视。经过剖析这些丈量参数，能够解码出所重视的状况，然后监测电池的健康状况。国家杰青黄云辉教授团队。在本文中总述了光学传感技能在电池中的。最新。开展，触及各种传感参数，并评论了光纤传感器的当时局限性及其未来开展方向。

• 归纳总结和剖析了光纤传感技能在电池中的运用。

• 介绍最近丈量要害参数方面开展，以处理电池健康监测中的要害问题。

• 展望了光纤传感技能在电池监测中的未来开展和运用。

温度丈量。

温度是电池及大电池组中一个要害参数，与电池的健康和安全密切相关。电池在不同温度下体现差异，恰当的温度规模能够保证电池更好的功用；而在大规。模电。池模块/组中，温度对电池健康状况（SOH）影响明显，不同温度或许导致不同的老化速度，并影响电池的功用共同性。若产生热失控，或许导致火灾或爆破。因而，温度传感技能关于电池健康监测和安全性至关重要。


现在，BMS中运用的。温度传感器。首要是热阻传感器（如。电阻。温度检测器和热敏电阻）和热电偶。但是，因为空间和体系杂乱性约束，能量存储体系中温度传感器的数量一般较少，且大都传感器仅安装在电池外表，但实践电池内部和外表之间的温差或许到达15°C，在热失控状况下乃至逾越200°C。因而，内部温度监测对电池健康至关重要，外表温度无法准确反映电池的作业状况和热事情。

图1 为了处理这些问题，光纤光栅（FBG）被引进电池温度传感。光纤光栅由一段单模光纤组成，光纤中心的折射率按周期性办法调制。其温度传感功用首要来历于光纤的热光学效应和弹光学效应，这些效应导致折射率和光栅周期的改动，然后引起反射波长的偏移。温度改动导致的波长改动能够经过光纤的热光学系数和热胀大引起的弹光学效应来描绘。


与传统温度传感器比较，FBG具有更小的体积和更强的多路复用才能，能够经过一根光纤监测多个电池的温度。2013年，杨等人将七个光纤光栅刻入一根光纤，用于监测六个硬币电池的温度。试验成果标明，关于硬币电池，阴极和阳极外表之间的温差能够忽略不计，温度改动速率首要由电流密度决议。这项作业证明了运用光纤光栅监测电池温度的可行性。光纤光栅在实践运用中具有杰出的灵敏度（约10 pm/°C），且呼应敏捷，能够准确反映温度的改动，特别适用于电池监测中的。高精度。需求。


2015年，Schade等人开发了一个由96个光纤光栅（FBG）组成的传感。网络。，集成到一个13.8 kWh的电池模块中。温度传感器光纤光栅被放置在导热维护管中，以解耦电池的。机械。应变，每个电池都装备了这样的传感器，而BMS中运用的热电偶（TC）则作为参阅传感器。研讨标明，光纤光栅能够供给每个电池的详细温度。信息。，并准确反映电池组中的温度散布，供给更准确的数据以协助研讨人员更好地了解电池体系。凭仗其优胜的多路复用才能，FBG已被以为能够直接替代热电偶，为BMS供给更准确的温度散布信息，然后有助于进步电池体系的功用和安全性。成功的外部温度监测标明，光纤光栅传感器在电池温度监测中的可行性。传统温度传感器一般只能丈量电池外表的温度，这只能作为电池内部温度的估计值，无法反映实践状况。为了准确监测电池的内部温度，光纤光栅传感器可内嵌入电池中，并不会影响电池的原始装备或功用，这一点得到了验证。传统温度传感器因为体积较大并或许影响电池功用，因而不能很好地满意这些需求。

图2。

表1 一些开创性的研讨者规划了由光纤光栅和法布里-珀罗（FP）传感器混合构成的特别传感单元，将其嵌入电池中，以解耦温度和应变。信号。。与外部FBG传感器比较，内部传感器在温度和应变的呼应上体现出更大的值，证明内部温度监测成果更挨近实践状况。2020年，Tarascon等人经过在18650型钠离子电池中一起进行外部和内部温度监测，成功完成了电池的定量热量丈量。他们将传感器奇妙地放置在18650电池的中心空地中，防止了应变的影响。经过改动电池的充放电速率，他们证明了表里温差跟着速率的添加而增大。此外，温度改动成功转化为热量生成，并经过能量平衡方程（热等效电路）进行核算，准确地丈量了电池在循环进程中的热量生成。

图3 因为光纤光栅（FBG）传感器在有限的监测方位而非沿光纤途径继续监测，因而其被称为准散布式光纤传感。而另一种彻底散布式光纤传感技能也已在电池监测范畴得到运用。依据瑞利散射的频域问询体系被广泛用于电池监测，因为它在现有的彻底散布式技能中具有最高的空间分辨率和丈量分辨率。经过光频域反射计（OFDR）技能，能够供给更高的空间分辨率，它经过注入光的频率（ω）或波长（λ）随时刻线性改动来完成（见图4d）。

图4。

表2 在一项研讨中，Tarascon等人将光纤光栅传感器与瑞利散射传感器嵌入到18650型钠离子电池中，界说了瑞利传感器的单位感测长度为0.65mm。经过校准，他们发现温度改动与传感器输出之间存在线性联络，且一切瑞利传感器的校准系数值类似。瑞利传感器成功地被用于制作18650电池内部纵向方向上的温度散布（见图。4g。），与FBG传感器的丈量成果共同。这一成果标明，瑞利传感器适宜用于电池组中数千个单体电池的温度散布监测。但是，0.65mm的感测单位长度产生相对较高的噪声，这影响了其实践运用。为了进步信噪比，感测单位长度应恰当设置。


光学传感器在丈量多点外表温度和内部温度方面具有共同优势，外部温度监测经过光学传感器更靠近实践运用。但是，裸光纤没有封装维护，简单遭到损坏。用于基础设施安全监测的封装光纤光栅传感器的寿数可逾越20年，略善于其他候选传感器。但是，在电池中的光学传感器需求在实践电动汽车条件下饱尝苛刻振荡和恶劣作业环境，因而其寿数还需进一步验证。因而，在商业运用之前，封装办法和长时刻耐久性需求细心研讨。

图5。

应力应变丈量。

许多研讨已验证，在充放电进程中，电池的体积会周期性胀大或缩短。例如，在。锂离子电池。中，因为不同电极中锂的部分摩尔体积差异，电池的净体积产生改动，一般由阳极资料主导。常见的参数，如应变、堆压应力和厚度，现已被用来评价电池资料的反响体积。这些研讨标明，应力在电池监测中与温度相同重要，关于进步功用或防止各种机械退化（如全固态电池中的机械问题）具有重要意义。但是，因为缺少适宜的传感技能，电池办理体系（BMS）中没有有用运用应变/应力参数。跟着光纤应变/应力传感器在电池中的运用，这一状况正产生改动。

图6 光纤光栅（FBG）传感器不只能够用于温度监测，还能够丈量应变和应力。当光纤光栅受拉伸或紧缩时，光栅的周期产生改动，导致。中心。波长的漂移。应变引起的波长改动能够经过公式描绘，关于硅光纤传感器，资料的物理参数（如杨氏模量为69.9 GPa）已知，能够用胡克定律将应变转化为应力。与传统的外部。压力传感器。比较，光纤光栅传感器最吸引人的特色是它能够经过嵌入电池内部来丈量电极标准的应力。虽然一些薄膜应变计传感器现已被刺进到18650型锂离子电池中，以取得内部环向应变，但这些传感器一般需求杂乱的操作，如去除活性资料。此外，光纤传感器的强壮多路复用才能也是其共同优势，能够大大简化监测很多电池的操作杂乱性。传统压力传感器与光纤光栅传感器的详细优缺点已在表格中总结。

2016年，Bae等人初次比较了植入式FBG传感器与外表张贴式FBG传感器在石墨阳极中的应力丈量（见图6a–c）。他们发现植入式FBG传感器在充电进程中因为纵向应变，波长偏移较大。更重要的是，这是初次依据胡克定律和波长偏移预算应力，研讨人员还展现了核算出的应力与阳极的荷电状况（SOC）相关。类似的成果也在运用LiIn阳极时取得。研讨还电气和视觉地查看了集成FBG传感器的影响，成果显现电池功用简直没有负面影响，虽然在电池上可见到由光纤引起的痕迹。


如前所述，研讨人员依据不同资料挑选了不同的封装办法，如为硅阳极挑选张贴式FBG传感器（见图6d和e），为硫正极挑选植入式FBG传感器（见图6f和g）。虽然这些研讨运用了不同的电池体系（硅阳极运用Swagelok电池，硫正极运用软包电池），但都取得了名贵的成果。关于硅阳极，初次循环中的应力曲线显现出三种不同斜率的应力改动（陡峭添加、急剧上升、应力开释），这些阶段与微硅的锂化进程（电极孔填充、电极增厚、颗粒破碎）高度共同。此外，纳米硅与初次锂化的差异也经过应力监测得以反映。


关于硫正极，比较了锂硫电池的三种典型机制，发现硫化聚丙烯腈（SPAN）正极在固-固机制下的体积胀大最大，但体现最佳；而KB/S正极在固-液-固机制下的体积改动最小。因而，在进步锂硫电池功用时，潜在的化学力学要素应予以考虑，尤其是在大规模软包电池中。经过内部应力监测的研讨为了解电极资料的反响供给了全新的视角。

图7 在全固态电池（ASSB）中，化学力学问题较为严峻，且没有得到充沛了解。FBG传感器已被引进全固态电池，证明其优胜性。因为界面接触不良，常常需求对全固态电池施加更。高压。力。在高压力下，FBG传感器会产生峰值割裂，这是因为光纤的双折射效应（见图7a）。光纤的椭圆形变形导致两个不同的折射率（nx和ny），x极化光（nx）与y极化光（ny）之间的改动明显。因而，当FBG传感器遭到强拉伸时，单一共振峰将割裂为两个峰值（λx和λy）。经过解耦λx和λy，能够取得电极的轴向和纵向应力，这些是传统传感器无法取得的。运用FBG传感器的双折射效应，初次监测了LiIn阳极与全固态电解质（SSE）界面之间的部分应力演化（见图7b–d）。成果标明，外部应力（约0.25 MPa）较低，而内部应力（约3.8 MPa）较高，一起，经过双折射效应区别了横向和纵向应力奉献，这关于深化了解全固态电池中的化学力学效应至关重要。


内部FBG传感器将对电池制作进程带来明显改动，因而，将FBG传感器放置在电池外部关于商业运用更为可接受。应力/应变的强度首要取决于电池外壳的柔性，因而，大大都研讨人员集中于软包电池，因为其外表具有较高的柔性。大大都试验设置选用了类似的装备，包含粘附的FBG传感器用于监测应力/应变，以及参阅FBG传感器用于解耦应力/应变和温度。


FBG传感器丈量的应力/应变与电池的体积改动密切相关，这一改动源于锂离子插层到正负极时，部分摩尔体积的差异；电极中的活性锂离子含量代表可开释容量，与每个循环的应力/应变起伏相关。因而，电池的应力/应变可反映其荷电状况（SOC）和健康状况（SOH）。例如，在过充电的状况下，发现应变增量对温度的灵敏度是正常状况下的50倍，阐明温度升高或许是慵懒反响；而应变的快速添加则是最早的信号，并具有较高的准确性。经过钉刺测验，发现应变传感器被炸毁，温度急剧上升，这反映了电池呈现复合危险。这些成果标明，应力/应变的演化在监测电池安全状况（SOS）方面起到了必定效果。

图8 此外，因为大规模副反响和电极形状退化的产生，应变起伏未能与容量直接对应，曲线中呈现了转折点，这能够作为容量阑珊的前期正告信号。整体而言，外部的应力/应变能够反映电池的状况（SOX，其间X代表充电状况、健康状况和安全状况），有助于电池健康的监测。明显，传感器的方位挑选和封装办法至关重要。表3总结了不同办法的差异，并排出了各自的特色。

表3 与温度丈量类似，应力/应变丈量也满意机制研讨和实践运用的需求。但是，包装和耐用性问题在商业运用中依然存在，这些问题也相同影响到应力/应变丈量的实用性。另一个封装应战是怎么解耦温度与应力/应变的影响，因而需求更杂乱的规划以满意集成和功用要求。

丈量折射率。

电解液作为电池的一个重要组成部分，在离子运送中起着要害效果。电池循环进程中的电解液产生电化学和化学反响，导致离子和分子浓度的改动，监测这些改动有助于提醒电池分化的内涵机制并指示电池健康状况（SOH）。现在，丈量这些参数的办法一般依赖于离子色谱（。IC。）和电感。耦合。等离子体质谱（ICP），但这些办法需求贵重的设备和特别的设置，不适宜在电池作业条件下进行实时监测。


电解液中离子或分子浓度的改动会改动其折射率（RI），这一改动能够经过光纤传感器轻松检测。近年来，许多依据光纤的折射率传感器已被开发并运用于电池监测。例如，Pa。ti。l等人于2014年提出了一种折射光纤传感器，它运用两根并联光纤经过一个圆柱形玻璃腔体衔接，腔体结尾有反射器。光纤的锥形发射与折射率相关，因而反射后接收到的光量随电解液的折射率改动而改动，这一改动与铅酸电池的荷电状况（SOC）呈线性联络。针对。锂电池。，Nedjalkov在2019年提出了一种具有两个光波导的自补偿FBG传感器，但因为应变与折射率之间存在穿插搅扰，定量丈量变得不可行。

图8 为了战胜这一问题，研讨者们引进了歪斜光纤布拉格光栅（。TF。BG）。与一般的FBG传感器不同，TFBG的光栅平面是歪斜的，能够使光纤对环境折射率更灵敏，并消除温度搅扰。Tarascon等人将传感器放置在18650电池的中心空地中，以防止应变的影响，类似于温度监测。他们经过挑选恰当的包层形式来监测电解液的折射率改动，并调查电解液成分的演化。成果标明，折射率与电池容量丢失呈线性联络，为评价电池SOH供给了一个有价值的新标准。总结来说，经过光纤传感器监测电解液的折射率改动，能够有用地评价电池的健康状况，尤其是在电池作业进程中，这种办法为电池SOH的实时监测供给了新的思路。


为了进一步进步丈量灵敏度，研讨人员将歪斜光纤布拉格光栅（TFBG）涂覆上一层50纳米厚的金膜，然后转变为外表等离子共振TFBG（SPR-TFBG）。这种光栅共振与外表等离子共振的结合供给了一种准确的折射率（RI）丈量办法。经过监测等离子共振改动的起伏，研讨人员能够解码电池内产生的反响。例如，Guo等人将SPR-TFBG附着在二氧化锰（MnO₂）电极外表，监测水性锌离子电池中的离子活动。在电池放电进程中，光信号的导数显现出一个峰值，标明离子插层产生。此外，经过比较不同电解液中有无Zn²⁺的信号，能够明晰地区别H⁺和Zn²⁺的插层进程，证明了二氧化锰在锌离子电池中的两步离子插层进程。这一发现为离子动力学的研讨供给了光学传感的新视角，弥补了传统电化学技能的缺乏。

图10 相同的设备还被用于超电容器中监测离子活动。超电容器的能量存储和转化经过离子的吸附完成，离子的散布与电池的荷电状况（SOC）直接相关，而且能够经过光学信号实时监测。研讨标明，光学信号简直与SOC线性改动，进一步证明了实时SOC监测的可行性。这部分研讨标明，经过监测电解液的折射率改动，能够追寻电池分化途径并评价电解液在循环进程中的稳定性。此外，折射率丈量为探究离子动力学和电化学机制供给了逾越传统电化学办法的额定信息，添补了当时监测办法的空白。但是，现在丈量的折射率值仅重视整个电解液，因而无法追寻特定化学物质的分化机制。关于详细物质的化学演化，仍需进一步研讨。一起，相较于温度和应变/应力，折射率剖析的难度更大，这提示未来或许需求凭借。机器学习。算法。的支撑来进一步进步剖析才能。

图11。

图12。

图13。

光谱丈量。

电池的电极和电解液在充放电进程中会阅历化学改动，传统的物理参数（如温度、应变/应力、折射率等）有时无法充沛反映电池内部的电化学进程。因而，研讨者开端选用光谱丈量更精准地表征电池资料的微观改动。 光谱剖析：经过吸收光谱能够反映资料的不同状况。例如，石墨的色彩与其锂含量相关，研讨者运用这一特性来监测电池的SOC（荷电状况）。运用涂覆有石墨浆料的光纤传感器（光纤消逝波传感器FOEWS），研讨人员成功地丈量了石墨阳极在500到900 nm波长规模内的反射光谱，证明了SOC与透射信号的直接联络。

钴酸锂磷（LFP）光学特性：LFP的SOC因为其平整的电压渠道一向难以测定，但经过反射和透射光谱的改动，研讨者发现LFP的锂含量与光谱信号直接相关，成为SOC的一个有用目标。


光纤。红外。光谱（IR-FEWS）：为了打破硅光纤的传输约束，研讨者选用了硫化物、硒化物和碲化物等资料的玻璃光纤。经过将这种光纤嵌入钠离子电池的电极中，研讨人员提醒了钠离子在NVPF电极中的四步去插层机制。这种技能能够追寻电池充放电进程中离子的吸赞同去除进程，添加了对电极相变进程的了解。


Ram。an散射光谱：运用空心光纤的拉曼散射光谱也被用来剖析电解液中的分子动态。经过拉曼光谱盯梢电解液的化学反响，研讨者能够解码电解液在构成进程中的分化机制，剖析包含碳酸二甲酯（DMC）等物质的分化状况。

图14 综上所述，光谱丈量技能为提醒电池资料的微观改动供给了强壮的东西，尤其是在电解液和电极资料的分化机制方面，供给了比传统电化学技能更深化的了解。未来，结合光谱技能与其他传感技能，如温度和应变/应力丈量，能够全面地进步电池监测的准确性和实时性。

本文回忆了经过光纤光谱技能解锁分子层面的化学演化。这些开创性技能能够辨认电池中的退化和毛病机制，揭开了长时刻以来被视为“黑箱”的疑团。未来，所提出的原位操作办法将有助于更好地了解当时电池的局限性，并为不同电化学储能体系退化机制的研讨铺平道路。


电池传感技能自电池创造以来一向是。工程师。们重视的要点，光纤传感技能作为一种有远景的东西，已逐步成为实时监测可充电电池的有用手法。国家杰青黄云辉教授。在本文中回忆了光纤传感器在检测电池要害参数（如温度、应变/应力、折射率（RI）和光谱）方面的明显潜力，这些光纤传感器可用于外部和内部的监测。这些光纤传感器为优化电池办理体系（BMS）供给了名贵的见地，但在广泛运用之前，仍面对一些应战。

封装与布置应战。光纤传感器的首要应战之一是其在电池体系中的封装和布置。硅光纤自身软弱，简单在实践环境中（如电动汽车（EV）和储能体系）损坏。因而，光纤传感器需求恰当的维护，以接受机械应力、振荡和恶劣的操作条件。此外，因为光纤光栅（FBG）传感器对温度和应变都十分灵敏，为了取得准确的读数，一般需求选用温度补偿封装来解耦这些参数。在实践运用中，监测大规模电池体系所需的传感器数量远远高于试验室设置。因而，在一个大型电池或电池组中布置多个传感器时，有必要细心考虑传感器的集成，或许需求运用多根光纤来监测不同的参数。怎么有用布置这些传感器，一起坚持电池功用，将是要害问题。

传感器与电池的集成。光纤传感器与电池的集成又面对一系列应战。虽然光纤传感器能够履行多种功用，但其在电池内的存在不该搅扰电池的电化学功用。将传感器植入电池或许会改动电池的制作工艺，这关于现有电池出产商来说是一个严重应战。一种或许的处理计划是将传感器放置在相邻的电池单元中，保证其作业条件类似，然后答应同享数据而不影响电化学进程。但是，这一计划还需求进一步的试验验证，以确认其可行性和有用性。

先进的剖析与确诊办法。跟着光纤传感器生成的很多数据，开发智能剖析东西和毛病预警确诊体系将变得越来越重要。电池数据的杂乱性将大大添加，因而需求新的模型来准确解读这些数据。光纤传感技能与。人工智能。（。AI。）、机器学习（ML）和。深度学习。等先进技能的协同将是办理大数据量的要害。

由AI驱动的状况指示算法能够完成更准确的电池状况剖析，供给对电池状况（如充电状况SOC、健康状况SOH和安全性）的更深化了解。树立一个包含不同作业条件下的电池参数的归纳数据库，对练习AI模型至关重要。这种数据、AI和先进建模的结合能够协助创立猜测体系，不只能够实时剖析数据，还能猜测电池的未来行为，包含退化趋势和潜在毛病危险。

展望：迈向智能电池。

虽然面对许多应战，但光纤传感技能在电池监测中的未来远景依然令人鼓舞。成功将光纤传感器运用于电池中，或许会创造出具有实时数据监测的“智能电池”，能够监测电池的各种状况，包含SOC、SOH和安全性。这将明显进步电池的质量、牢靠性和运用寿数（QRL）。

未来，将光纤传感技能与。云核算。、AI和数字孪生等技能结合，或许会彻底改动电池办理。在这一愿景中，光纤传感器的数据将由AI实时剖析处理，创立每个电池的“数字孪生”。该虚拟模型将经过。物联网。（。IoT。）传输到云端，向用户和制作商供给关于电池状况的全面信息，乃至猜测其功用随时刻改动的趋势。经过运用AI、云技能和数字孪生的强壮功用，咱们能够等待更智能、高效的电池监测体系，这些体系能够被整合到电池出产、研讨和操作的各个阶段。这些开展将大大进步电池的功用、安全性和寿数，为更牢靠、更可继续的动力贮存处理计划铺平道路。

来历：锂电联盟会长。

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