史雯慧，王浩，曹慧，劉熠鑫，李建宇，鄭加金，2，韋瑋，2

（1 南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院、柔性電子學(xué)院， 南京 210023）

（2 江蘇省特種光纖材料與器件制備及應(yīng)用工程研究中心， 南京 210023）

0 引言

近年來(lái)，鋰離子電池作為一種重要的儲(chǔ)能技術(shù)［1-2］，由于具有高峰值功率、高能量密度、低自放電等特性，成為當(dāng)今大多數(shù)新能源行業(yè)的首選［3］。鋰離子電池的熱穩(wěn)定性和壓力穩(wěn)定性是影響其安全性的最重要的參數(shù)［4］，這與電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)息息相關(guān)，尤其是在濫用操作條件下，劇烈的電化學(xué)反應(yīng)會(huì)使電極的溫度和壓力快速升高，從而導(dǎo)致電池退化，甚至電池燃燒或爆炸［5］。因此，開(kāi)發(fā)用于增強(qiáng)電池管理系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)能力的傳感系統(tǒng)已成為當(dāng)務(wù)之急。然而，現(xiàn)有的用于電池健康監(jiān)測(cè)的傳感系統(tǒng)多基于電氣連接［6］，會(huì)受到電磁干擾等噪聲的影響，難以集成在電池內(nèi)部的單元結(jié)構(gòu)中，使得對(duì)電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)評(píng)估的準(zhǔn)確性受到限制。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋰離子電池內(nèi)部溫度和應(yīng)力的變化，并解耦其與電池內(nèi)電化學(xué)信號(hào)的關(guān)系對(duì)鋰電池的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

目前用于電池溫度和應(yīng)力的監(jiān)測(cè)方法如數(shù)字成像和紅外成像技術(shù)，只能跟蹤電池表面的溫度或應(yīng)力變化，存在分辨率差、精度有限等問(wèn)題［7］，無(wú)法監(jiān)測(cè)電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)變化。近期的研究工作提出了使用光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating， FBG）作為傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)鋰電池的工作狀態(tài)，F(xiàn)BG 正逐漸成為集成到電池管理系統(tǒng)中的研究熱點(diǎn)［8］。作為一種反射型低功耗傳感器，F(xiàn)BG 由于其固有的特性如小尺寸、易于多路復(fù)用、抗電磁干擾、化學(xué)惰性、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，吸引了廣大研究人員的興趣。從傳感性能上看，F(xiàn)BG 傳感靈敏度比熱敏計(jì)、應(yīng)變片等傳感器的靈敏度更高［9］，同時(shí)對(duì)應(yīng)力、溫度、彎曲等參量敏感。2019 年NASCIMENTO M 等［10］提出FBG 和法布里-珀羅腔組成的混合傳感網(wǎng)絡(luò)，用于應(yīng)變和溫度的識(shí)別。2020 年HUANG Jiaqiang 等［11］演示了將FBG 傳感器集成到商用18 650 電池中的可行性，解耦了與溫度和壓力相關(guān)的波長(zhǎng)變化，從而跟蹤固體電解質(zhì)間相互作用和結(jié)構(gòu)演化等現(xiàn)象。這些工作表明FBG 可以成為支持和改進(jìn)鋰電池管理的最佳低成本的工具。但是，目前利用各類FBG 進(jìn)行電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)多為單參量表面監(jiān)測(cè)［12-17］，不能解碼電池工作條件下發(fā)生的化學(xué)變化，難以全面準(zhǔn)確地評(píng)估電池健康狀態(tài)（State of Health， SoH）和充電狀態(tài)（State of Charge， SoC）。因此，對(duì)鋰電池電極的溫度和應(yīng)力變化進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并建立光學(xué)傳感信號(hào)與電化學(xué)信號(hào)之間的聯(lián)系，對(duì)量化和評(píng)估電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的安全問(wèn)題具有關(guān)鍵意義。

鑒于此，本文以軟包鋰離子電池作為研究對(duì)象，利用相位掩模法在一根光纖中刻寫三個(gè)不同中心波長(zhǎng)的FBG，設(shè)計(jì)并搭建了一套基于FBG 植入的軟包鋰電池內(nèi)部多參量傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)一個(gè)光學(xué)通道對(duì)軟包鋰電池陽(yáng)極溫度和應(yīng)變的精準(zhǔn)測(cè)量。進(jìn)一步結(jié)合藍(lán)電系統(tǒng)，對(duì)鋰電池的SoC 和放電深度（Depth of Discharge， DoD）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，解耦了光學(xué)信號(hào)和電化學(xué)信號(hào)之間的聯(lián)系。本文研究有望為開(kāi)發(fā)更安全、更高效、更持久的電池監(jiān)測(cè)方案提供參考。

1 基本原理與實(shí)驗(yàn)

1.1 傳感原理

FBG 傳感器通常由單模光纖的一小段組成，其核心是光誘導(dǎo)的折射率周期性調(diào)制。根據(jù)FBG 傳感原理，當(dāng)沿光纖纖芯傳輸?shù)墓獠ㄍㄟ^(guò)FBG 時(shí)，凡滿足布拉格條件的光波會(huì)被反射回來(lái)，其余光波繼續(xù)向前傳播。其反射波長(zhǎng)可以表示為［18］

式中，neff為纖芯有效折射率，Λ為光柵周期，λB為布拉格波長(zhǎng)。

外界的溫度和應(yīng)力變化將引起安裝的FBG 發(fā)生軸向應(yīng)變，對(duì)應(yīng)的柵距變大或縮小，進(jìn)一步導(dǎo)致FBG 反射中心波長(zhǎng)的變化。利用光譜儀、解調(diào)儀等設(shè)備可測(cè)得FBG 的反射光譜中心波長(zhǎng)的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池正極應(yīng)力應(yīng)變、溫度等因素的傳感監(jiān)測(cè)。其中心波長(zhǎng)與溫度和應(yīng)力變化的關(guān)系可表示為［19］

式中，右側(cè)第一項(xiàng)為溫度引起的布拉格波長(zhǎng)變化ΔλB(T)，第二項(xiàng)為應(yīng)變引起的波長(zhǎng)變化ΔλB(ε)。溫度引起的布拉格波長(zhǎng)變化ΔλB(T)通常不受外界應(yīng)變影響，但是應(yīng)變誘導(dǎo)的布拉格波長(zhǎng)變化通常也會(huì)受到溫度影響，因此ΔλB(ε)可以表示為［19］

式中，p11和p12為Pockels 系數(shù)，vfiber為泊松比，kε為相對(duì)應(yīng)變敏感性，也稱為k因子，在寬溫度范圍內(nèi)，kε會(huì)產(chǎn)生溫度依賴［20］，其對(duì)溫度的依賴關(guān)系呈線性關(guān)系，可以表示為［19］

式中，v0，fiber是0 ℃時(shí)的泊松比，dvfiber是泊松比的溫度靈敏度。因此，相對(duì)應(yīng)變靈敏度kε可以寫為［19］

在本研究中，溫度變化最高為450 ℃，在此范圍內(nèi)溫度和應(yīng)變誘導(dǎo)波長(zhǎng)變化均為線性關(guān)系［21］。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成與實(shí)驗(yàn)

圖1 為搭建的基于FBG 傳感系統(tǒng)的軟包鋰離子電池內(nèi)部安全監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置示意。該系統(tǒng)主要由FBG、ASE（Koheras）、光纖耦合器、光譜分析儀（AQ6370D， Yokogawa）、光纖光柵解調(diào)儀（ZX-FP-MW，南通智性）、藍(lán)電電池測(cè)試系統(tǒng)（LANHECT2001A，武漢藍(lán)電）、軟包鋰電池和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊等組成。其中，所用FBG 是利用248 nm 紫外KrF 準(zhǔn)分子激光器 （COMPexPro205， Coherent），通過(guò)周期為1 060.82 nm 的掩模板（Ibsen）曝光制成，所用軟包鋰電池正極材料為L(zhǎng)FP∶PVDF∶SP，負(fù)極材料為L(zhǎng)TO∶PVDF∶SP。光譜儀用于記錄FBG 傳感器光譜變化，分辨率為0.05 nm。解調(diào)儀共4 個(gè)監(jiān)測(cè)通道，波長(zhǎng)范圍為1 528～1 568 nm，采樣頻率為100 Hz，解調(diào)精度為±1 pm。藍(lán)電電池測(cè)試系統(tǒng)每個(gè)模塊提供8 個(gè)可獨(dú)立編程通道，支持恒流充電、恒流放電、恒壓充電、靜置等模式，支持時(shí)間、電壓、電流、容量等參數(shù)結(jié)束循環(huán)，輸出電壓范圍為0～5 V，輸出電流范圍為0.01～10 mA。

圖1 基于FBG 傳感器的軟包鋰離子電池內(nèi)部安全監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置示意及實(shí)物Fig.1 Schematic and physical photos of the internal safety monitoring experimental device for soft pack lithium-ion batteries based on FBG sensors

FBG 的布設(shè)方式如圖1，其中，F(xiàn)BG1 兩端固定，用于陽(yáng)極應(yīng)變的監(jiān)測(cè)；FBG2 單端固定，用于陽(yáng)極溫度的監(jiān)測(cè)和FBG1 的溫度補(bǔ)償；FBG3 用于測(cè)量電池外部工作環(huán)境溫度。根據(jù)溫度補(bǔ)償原理，F(xiàn)BG1 的波長(zhǎng)變化量是由溫度和應(yīng)力兩個(gè)變量共同作用，而FBG2 的變化只受溫度變化影響，將FBG1 變化減去FBG2 的變化，即獲得由單一變量應(yīng)力造成的變化。

為了對(duì)鋰電池進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，藍(lán)電電池系統(tǒng)充放電工作循環(huán)設(shè)置如下：起始電壓為0 V，進(jìn)入恒流充電模式，當(dāng)電池電壓達(dá)到2.49 V 時(shí)即為充滿，然后進(jìn)入恒流放電模式，電池放電直到達(dá)到1.1 V 電壓結(jié)束，重復(fù)循環(huán)。選擇這樣的電池測(cè)試程序是為了促進(jìn)電池的濫用操作條件。在所有循環(huán)測(cè)試中，軟包鋰電池的冷卻是通過(guò)自然對(duì)流實(shí)現(xiàn)的。

2 分析與討論

表1 給出了在相同載氫條件下制備的三個(gè)單模FBG 的基本參數(shù)，其中FBG1、FBG2、FBG3 的中心波長(zhǎng)分別為1 544.23 nm、1 548.29 nm 和1 552.68 nm。由于該掩模板的標(biāo)準(zhǔn)中心波長(zhǎng)在1 548 nm 附近，采用了波長(zhǎng)調(diào)諧方法使FBG 的中心波長(zhǎng)分別向長(zhǎng)波方向和短波方向漂移。其中，波長(zhǎng)調(diào)節(jié)方法使照射到光纖上的光能量減小，會(huì)出現(xiàn)FBG 的反射率降低和譜寬拓展的問(wèn)題，通過(guò)提高曝光能量或者延長(zhǎng)曝光時(shí)間，可以解決這一問(wèn)題。FBG 的其他光譜性能基本一致，對(duì)傳感性能沒(méi)有影響。因此，在相同的制作條件下，制得的FBG的傳感性能基本相同，其中平均溫度靈敏度為9.3 pm/℃，分辨率為0.1 ℃，平均應(yīng)力靈敏度約為1.2 pm/με。

表1 FBG 傳感器相關(guān)參數(shù)及傳感性能Table 1 FBG sensors related parameters and sensing performance

以FBG2 為例，圖2 給出了其基本性能表征圖。圖2（a）為FBG2 的光譜圖，包括反射光譜和透射光譜，可知，光柵反射強(qiáng)度為14.2 dB，透射深度為7.5 dB，計(jì)算可得光柵的反射率為82.2%。該參數(shù)反映光柵性能良好，滿足作為傳感器的基本要求。圖2（b）展示了單個(gè)FBG 植入軟包鋰電池前后的反射光譜圖對(duì)比圖，可以看到植入后FBG 的中心波長(zhǎng)、反射強(qiáng)度和3 dB 帶寬保持不變，結(jié)果表明植入對(duì)FBG 傳感性能基本沒(méi)有影響。

圖2 光柵FBG2 的性能表征Fig.2 Performance characterization of FBG2

位移靈敏度是通過(guò)將光纖兩端固定在位移平臺(tái)上，每次移動(dòng)0.1 mm，然后根據(jù)解調(diào)儀實(shí)時(shí)記錄中心波長(zhǎng)變化計(jì)算得到的。圖2（c）給出了平臺(tái)位移量與中心波長(zhǎng)變化關(guān)系。根據(jù)公式ε=ΔL/L，計(jì)算可得FBG的應(yīng)變靈敏度約為1.2 pm/με，即FBG 的波長(zhǎng)變化與應(yīng)力存在穩(wěn)定的線性關(guān)系。溫度靈敏度是將光纖放置在高溫管式爐中進(jìn)行升溫，每次上升10 ℃，利用光譜儀記錄反射光譜，由于高溫管式爐的低溫度場(chǎng)不穩(wěn)定，因此，100 ℃以內(nèi)采用恒溫水浴鍋進(jìn)行加熱。隨著溫度從室溫逐漸升至400 ℃，F(xiàn)BG 的中心波長(zhǎng)逐漸紅移，溫敏的線性擬合函數(shù)為y=0.009 32x+1 547.937 7，溫度靈敏度為9.3 pm/℃，線性擬合度R2=0.992 8。

為探究FBG 在不同溫度條件下的傳感性能，通過(guò)高溫電阻爐控制溫度變化，溫度每升高100 ℃，記錄一次數(shù)據(jù)。圖2（e）和2（f）展示了不同溫度場(chǎng)下FBG 的反射光譜演變。反射譜如圖2（e），隨著溫度的增加，F(xiàn)BG 中心波長(zhǎng)出現(xiàn)明顯紅移，傳感性能沒(méi)有受到影響，溫度靈敏度均在9.3 pm/℃左右，最大偏差為0.1 pm，中心波長(zhǎng)輸出范圍為0～3.72 nm。圖2（f）給出了恒定溫度下FBG 反射強(qiáng)度隨時(shí)間的變化關(guān)系，從圖中可知，室溫條件下長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，反射強(qiáng)度基本保持不變；在120 ℃、220 ℃、320 ℃和420 ℃這四個(gè)溫度下工作10 h 時(shí)，其反射強(qiáng)度隨時(shí)間存在逐漸衰減，且溫度越高衰減越快，但不影響FBG 傳感器性能。電池發(fā)生熱失控現(xiàn)象時(shí)，內(nèi)部溫度可達(dá)400 ℃［10］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明FBG 在工作環(huán)境為420 ℃下可以穩(wěn)定工作，仍具有良好的傳感性能。

將三個(gè)FBG 按照?qǐng)D1 所示分別布設(shè)于電池陽(yáng)極和外部，監(jiān)測(cè)軟包鋰電池充放電循環(huán)中的溫度和應(yīng)力變化。為了驗(yàn)證植入FBG 傳感器是否會(huì)對(duì)電池性能產(chǎn)生影響，首先用藍(lán)電系統(tǒng)測(cè)試了植入與未植入的電池充電電壓，結(jié)果如圖3（a）。從圖中可以看出，充電平臺(tái)電壓均為1.90 V，當(dāng)SoC=1 時(shí)，兩種軟包電池的峰值電壓均為2.49 V，設(shè)置放電結(jié)束電壓為1.1 V，此時(shí)SoC=0.4。電池工作過(guò)程中從平臺(tái)期電壓上升到峰值電壓所耗費(fèi)的時(shí)間相同，放電到1.1 V 所需的時(shí)間也相同，可見(jiàn)，在軟包鋰電池中植入FBG 傳感器對(duì)電池的充放電性能沒(méi)有影響或者影響可以忽略不計(jì)。為了獲得電池陽(yáng)極的熱膨脹系數(shù)，將軟包電池放在恒溫箱中，溫度設(shè)置從10 ℃改變到40 ℃，升溫速率為2.5 ℃/min。圖3（b）給出了對(duì)陽(yáng)極監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度和應(yīng)變數(shù)據(jù)，可以看到隨著溫度上升，陽(yáng)極發(fā)生了體積膨脹，應(yīng)變與溫度升高呈線性關(guān)系。根據(jù)計(jì)算，陽(yáng)極在25 ℃的熱膨脹系數(shù)為25.5 με/℃，該結(jié)果與理論值一致［15］。

圖3 軟包電池植入FBG 后的性能Fig.3 Performance of pouch cell implanted FBG

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步監(jiān)測(cè)了軟包鋰電池充放電循環(huán)過(guò)程中陽(yáng)極的溫度和應(yīng)力變化，結(jié)果如圖4。在I=5 mA 的直充直放工作循環(huán)中，F(xiàn)BG 監(jiān)測(cè)到的溫度引起的波長(zhǎng)漂移如圖4（a）?？梢钥吹?，工作循環(huán)開(kāi)始時(shí)，中心波長(zhǎng)出現(xiàn)緩慢紅移，在SoC=1 時(shí)，波長(zhǎng)漂移為23 pm，即溫度升高約2.4 ℃。放電過(guò)程溫度迅速增大，當(dāng)DoD 最大時(shí)，引起的波長(zhǎng)漂移為94 pm，溫度升高約10.1 ℃。隨著Li+的嵌入與脫嵌，出現(xiàn)熱量累積現(xiàn)象，監(jiān)測(cè)到最大的中心波長(zhǎng)漂移為272 pm，對(duì)應(yīng)溫度變化為29.2 ℃。循環(huán)結(jié)束后，電極逐漸降到室溫，F(xiàn)BG 也恢復(fù)到原始中心波長(zhǎng)，這說(shuō)明所用FBG 傳感器具有良好的重復(fù)穩(wěn)定性，能夠精確監(jiān)測(cè)充放電過(guò)程中的溫度變化，分辨率為0.1 ℃。電池管理系統(tǒng)（Battery Management System， BMS）可根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果，在熱累積達(dá)到溫度峰值點(diǎn)發(fā)出預(yù)警，同時(shí)啟動(dòng)電池冷卻工作系統(tǒng)，從而降低電池直充直放使用的安全隱患，延長(zhǎng)電池使用壽命。

圖4 FBG 植入軟包鋰電池在工作循環(huán)中溫度、應(yīng)力隨時(shí)間變化關(guān)系Fig. 4 Temperature and stress changes with time during the working cycles of FBG implanted in pouch cell

為了防止出現(xiàn)熱累積現(xiàn)象，在充放電之間設(shè)置了一定的靜置時(shí)間，監(jiān)測(cè)I=10 mA 時(shí)陽(yáng)極的溫度變化，結(jié)果如圖4（b）。可以觀察到，在恒流充電過(guò)程中，波長(zhǎng)向長(zhǎng)波漂移，當(dāng)SoC=1 時(shí)溫度上升約3.5 ℃；靜置過(guò)程中，波長(zhǎng)基本保持不變；當(dāng)放電開(kāi)始時(shí)，溫度開(kāi)始急速上升，當(dāng)DoD=1 時(shí)，溫度變化為11.1 ℃，這些快速的溫度變化與遷移到正極的Li+離子流產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。充電結(jié)束后溫度也迅速下降到環(huán)境溫度，在下一個(gè)循環(huán)繼續(xù)重復(fù)這一變化。在三個(gè)循環(huán)周期中，溫度的變化與充放電過(guò)程存在上述關(guān)系，此外，放電引起的溫度變化比充電更顯著，約為充電時(shí)的3.2 倍。

同時(shí)，利用FBG1 監(jiān)測(cè)了陽(yáng)極的應(yīng)力變化，圖4（c）給出了循環(huán)過(guò)程中應(yīng)力和電流變化的關(guān)系?？梢钥闯?，在恒流充電過(guò)程中，陽(yáng)極產(chǎn)生的應(yīng)變逐漸上升，表現(xiàn)為拉伸應(yīng)力，這表明陽(yáng)極在初始鋰化過(guò)程中膨脹。當(dāng)SoC=1 時(shí)，膨脹導(dǎo)致波長(zhǎng)漂移11.15 pm，約9.3 με。靜置開(kāi)始時(shí)，即電流發(fā)生跳變，陽(yáng)極產(chǎn)生急劇的體積收縮，電流穩(wěn)定后應(yīng)力逐漸松弛到原來(lái)的膨脹狀態(tài)。放電期間，緩解電流跳變帶來(lái)的應(yīng)變力略有降低，是因?yàn)殡姵胤烹婋姌O體積會(huì)收縮，抵消了一部分應(yīng)力。在接下來(lái)的電流跳變中，F(xiàn)BG 監(jiān)測(cè)到的應(yīng)力變化趨勢(shì)與第一次跳變相同，即鋰電池工作過(guò)程中，高局部電流密度會(huì)引起電解液分解，電池內(nèi)部活性物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致晶格的膨脹和收縮［19］，產(chǎn)生誘導(dǎo)性應(yīng)變。

循環(huán)結(jié)束后，電池內(nèi)部存在殘余應(yīng)力，持續(xù)一段時(shí)間后，應(yīng)力松弛回到初始波長(zhǎng)附近，這表明隨著陽(yáng)極鋰化體積膨脹，存在微小的不可逆變化。在多次重復(fù)循環(huán)中，應(yīng)變和溫度的變化遵循類似的模式。電流突變引起的陽(yáng)極體積收縮，波長(zhǎng)漂移總量為22 pm，約為18.3 με 的應(yīng)力，沿光纖測(cè)得的單向最大機(jī)械應(yīng)力為9.3 με?？芍?，陽(yáng)極的力學(xué)變化在鋰化過(guò)程中增大，在去鋰化過(guò)程中減小，分別對(duì)應(yīng)鋰離子的嵌入和脫嵌。

最后，在相同時(shí)間內(nèi)分別采用2.5 mA、5 mA 和10 mA 的電流進(jìn)行工作循環(huán)中溫度和應(yīng)力的變化監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖4（d）、（e）和（f）。從圖中可以看出，相同時(shí)間內(nèi)，三種不同模式分別完成了1、2、4 次循環(huán)，即電流越大，充放電速度越快，監(jiān)測(cè)到的溫度和應(yīng)力變化也越大。

用于工作環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)的FBG3 在三次實(shí)驗(yàn)中基本不變，說(shuō)明電流的變化對(duì)電池外部的溫度沒(méi)有影響。對(duì)于陽(yáng)極溫度和應(yīng)力的監(jiān)測(cè)，在工作周期中三種工作模式的變化趨勢(shì)與圖4（b）和4（c）一致。當(dāng)I=2.5 mA時(shí)，F(xiàn)BG 傳感器監(jiān)測(cè)到的溫度和應(yīng)力變化最小，陽(yáng)極溫度最大變化2.5 ℃，應(yīng)力最大變化約2.62 με。當(dāng)I=5 mA 時(shí)，監(jiān)測(cè)到陽(yáng)極溫度最大變化5.9 ℃，應(yīng)力最大變化約5.42 με。當(dāng)I=10 mA 時(shí)，引起的變化是顯著的，陽(yáng)極溫度最大變化為11.1 ℃，應(yīng)力最大變化約為9.3 με。結(jié)果表明，光學(xué)響應(yīng)在多個(gè)周期內(nèi)是可重復(fù)的，提高充放電速率，電池的溫度和應(yīng)力變化更加顯著，與I=2.5 mA 相比，當(dāng)時(shí)I=10 mA 時(shí)，監(jiān)測(cè)到的溫度提高了2.8 倍，應(yīng)力提高了4.4 倍?？芍?，如進(jìn)一步提高充放電速率到50 mA，工作溫度將超過(guò)45 ℃，在45 ℃下300 次循環(huán)后體積膨脹率約10%［22］，電池很有可能會(huì)產(chǎn)生故障。

3 結(jié)論

本文在軟包鋰電池內(nèi)部植入FBG 傳感器用于準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)陽(yáng)極溫度和應(yīng)力的變化，建立了光學(xué)傳感信號(hào)與電化學(xué)信號(hào)之間的聯(lián)系。結(jié)果顯示，在I=10 mA 的單個(gè)工作循環(huán)中，當(dāng)SoC=1 時(shí)，陽(yáng)極溫度上升4.1 ℃；當(dāng)DoD=1 時(shí)，溫度升高到11.1 ℃，對(duì)應(yīng)著鋰離子的脫嵌和嵌入過(guò)程。與溫度只受SoC 影響不同，工作循環(huán)中應(yīng)力的變化還受到電流的影響，電流突變會(huì)導(dǎo)致陽(yáng)極體積快速收縮，電流突變引起的應(yīng)力變化約為18.3 με。此外，電流越大，充放電速率越快，引起的溫度變化和應(yīng)力變化也越大，所用FBG 傳感器可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確反映陽(yáng)極充放電時(shí)的變化。本文研究結(jié)果有利于量化和評(píng)估可能發(fā)生的電化學(xué)過(guò)程中產(chǎn)生的熱失控和體積膨脹問(wèn)題，為促進(jìn)電池安全性能提高提供了有益參考。