霍克锂电池基于无芯光纤的小型化双F-P腔在电池中的温度与压力波动研究
本文提出并实验验证了一种基于双光纤法布里-珀罗干涉仪（FPI）腔体结构的紧凑型电池用温度压力传感器，该传感器采用无芯光纤（NCF）作为传感元件。研究建立了双腔体的测量模型，深入分析了其测量机理，推导出温度与压力敏感度的解析表达式，并据此研制了相应传感器。实验结果表明：在240℃温度范围和1MPa压力范围内，该传感器分别表现出5.75皮米/℃的温度灵敏度与4.125纳米/兆帕的压力灵敏度。输出： 该传感器的测量精度分别为±1.5°C和±63 MPa。与传统级联FBG温度压力传感器相比，本传感器更为微型化，适用于密闭空间环境。研究人员成功将所提出的传感器植入5550 mWh单体电池内部，实现了不同充电倍率下电池内部温度与压力变化的有效直接实时监测。具备此类特性的传感器在评估电池健康状态方面具有潜在应用价值。
引言
在全球推进碳中和与可再生能源发展的大背景下，锂离子电池的应用场景已从消费电子领域扩展到智能电网、分布式储能电站和电动航空等新兴领域。其高能量密度与快速响应特性已被确认为构建新型电力系统的核心要素[1]。特别是在过去十年间，越来越多具有轻量化、高能量密度和优异耐久性的新一代储能电池相继问世。锂离子电池目前广泛应用于新能源汽车、储能设施、航空航天等领域[2][3][4]。随着应用规模的不断扩大，锂离子电池系统在实际使用中的稳定性与安全性能已成为行业关注重点[5]。其内部状态特性与运行期间的电化学反应密切相关，这对电池性能及使用寿命均产生显著影响[6]。传统接触式传感器在评估电池内部指标时面临多重困难，包括电磁干扰耐受性不足、测试结果显著偏离导致电化学特性下降等问题，以及同时获取多个关键参数的挑战。目前，电池状态监测主要通过电化学特性、温度和内部压力参数的测量来实现。储能电池状态评估采用多种技术手段，主要包括温度与压力测量以及电化学方法[7]，例如电流积分法[8]、开路电压法[9]和阻抗谱分析[10]。多数电传感器难以在极端狭小的密闭空间及腐蚀性Gas环境中稳定工作。由于锂离子电池内部环境的复杂性与严苛性，实现精确的原位测量仍具挑战性。为解决这一问题，开发并直接在电池内部应用紧凑、精确的光纤传感技术显得尤为重要[11]。光纤传感技术已成为应对这些挑战的领先解决方案之一。Pinto团队将光纤布拉格光栅（FBGs）集成至锂离子电池上，以实时监测其工作过程中的温度变化。研究证实，FBG技术非常适合在实际运行条件下获取圆柱形和软包电池的精确温度分布[12]。黄采用FBG传感器测量电池内部温度与压力，以此评估固体电解质界面（SEI）的生成及热流变化[13]。此外，贾在电池表面五个不同位置同步追踪并对比了FBG与热电偶的温度差异[14]。为获取更精确的电池数据，米迦尔提出一种由FBG与FP腔组成的混合传感网络，用于实现内部温度与应变的分辨测量。智能手机电池与锂离子软包电池的实验表明，该技术能有效区分电池内部应变与温度变化[15]。Song团队采用铰接式差动杠杆敏化框架，开发了一种用于同步应变与温度检测的FBG传感器。研究证实，电池在充放电过程中均会产生热效应，其中放电阶段释放的热量显著高于充电阶段。材料热膨胀是导致电池系统发生高幅度形变的主要原因[16]。目前，Mei将光纤传感器植入18650电池内部[17]，首次实现了在热失控阶段监测电池内部温度与压力的任务，并探究了18650电池在复杂热失控行为过程中原位压力与温度的关联关系。Liu[18]提出了一种基于双腔匹配的光纤温度压力传感器，用于测量电池内部参数。该传感器通过游标效应放大压力灵敏度，能有效测量锂电池内部气体在不同放电倍率下的压力变化。综上所述，研究人员正借助各类先进工具致力于表征电池工作时的内部状态。然而，现有研究中关于采用单一传感器同时测量电池单体内部压力与温度变化的研究仍相对匮乏。要实现电池内部状态的全面监测，往往需要集成多个传感器，这不可避免地增加了系统复杂性与成本。此外，当前传感技术的性能还面临着若干挑战的制约，包括热稳定性不足（尤其在聚合物腔体中表现显著）以及较高的交叉敏感性等问题。具体而言，对于采用级联结构的光纤温度与压力传感器而言，其体积因素也制约了在电池内部的实际应用。因此，基于无芯光纤的双腔传感器为监测复杂电池内部环境提供了可行解决方案，该方案兼具同步耐腐蚀与耐高温特性。
本文针对电池原位监测面临的高温、低压、强腐蚀及空间受限等挑战，提出了一种单模光纤与无芯光纤混合结构方案，以实现微型化并提升环境适应性。相较于现有解决方案，该新颖设计在微型化与鲁棒性方面具有显著优势。该传感器采用无芯光纤(NCF)腔体实现内部温度测量，同时利用空气腔进行压力监测。双腔体匹配带来的复杂性被有效消除。该设计在满足所需低压范围的同时实现了高灵敏度压力测量，并完成了大范围温度测量。所设计的结构展现出优异的高温与耐腐蚀性能。实验结果表明，提出的设计方案能准确、实时获取内部温度与燃料压力信息，从而达成预期实验目标。
