光纤传感技术助力锂电池内部温度监测

光纤传感技术助力锂电池内部温度监测

1、概述

本研究创新性地提出了一体化功能极片的设计方案，并选择光纤作为传感器进行植入验证。基于光频域反射技术（OFDR），利用昊衡科技的OSI设备测量了锂电池在初始状态（BoL）和老化状态（EoL）的内部温度演变和二维分布。在磷酸铁锂（LFP）和三元（NCM523）两种材料体系的Ah级软包电池中进行验证，并设计了两种光纤布局方式（S型和U型）进行锂电池内部温度分布式测量。实验证明了老化电池在放电阶段温度快速上升，需要重点关注。

2、测试过程

本工作采用自制的软包叠片电池，通过在一体化功能极片中植入光纤，实现对锂电池内部温度分布进行原位监测。光纤在电池中有两种走线形式：S型和U型，并在三元和磷酸铁锂两种电池中进行验证。我们在电池的新鲜状态（BOL）和老化状态（EOL）时测量电池在1C倍率条件下完整的充放电循环过程中的温度演变。锂电池的电化学测试由同济大学完成，温度测试是利用昊衡科技的OSI设备（OFDR分布式光纤传感技术）进行信号解耦测试，温度测试过程为室温条件，电池用隔热棉进行包裹以减少外界温度影响。

图1 利用OFDR分布式光纤传感解调仪原位测量电池内部温度分布

图2 基于OFDR光纤解调仪原位测量电池温度分布的工作原理简图

图3 锂离子电池装配过程和光纤布设方案

3、测试结果

基于光频域反射技术（OFDR），利用OSI光纤解调仪测量了锂电池在初始状态（BoL）和老化状态（EoL）的内部温度演变和二维分布，测量空间分辨率高达1.6mm。基于一体化功能极片技术，我们在磷酸铁锂（LFP）和三元（NCM523）两种材料体系的Ah级软包电池中进行验证，并设计了两种不同的光纤布局方式（S型和U型）进行锂电池内部温度分布式测量。基于上述实验，我们首次完成了锂电池的无损植入和全生命周期的电化学性能测试，并获取了电池在循环初期和老化后的温度演变规律和温度分布。通过循环容量、阻抗和半电池测试，验证了我们提出的植入方案不会影响电池的电化学性能。通过拆解表征和组件形貌分析，验证了传感器的防腐设计，并证实一体化功能极片的设计不会导致极片析锂、活性材料损失等不良影响。同时，我们证明了老化电池在放电阶段温度快速上升，需要重点关注。在BoL状态下，1.2Ah初始容量的LFP-U和LFP-S软包电池在放电过程中的温升速率分别为0.294 °C/min、0.302 °C/min，而电池老化后（EoL），LFP-U和LFP-S 在放电过程中的温升速率分别增长至0.582 °C/min、0.453 °C/min。同时，老化后的LFP电池热点区域在放电末期温升可高达21 °C，这是非常值得注意的。

4、实验结论

随着大容量、高性能的电池的应用，传统的电池管理系统缺乏对电池内部状态信息的有效监测，从而造成管理不足。通过一体化功能极片的设计，我们实现了无损植入并可分布式原位测量电池内部信息。经过800圈1C倍率的循环测试，我们证实锂电池在老化后的放电阶段温升速率增大，内部热点区域的温度可在放电末期上升21 °C。本工作为锂电池无损植入测量内部信息提供了一种新颖的方法，并为大容量动力电池的正向开发/管理设计提供新的视角。

本文原文来自Energy Storage Materials