圖 原位精準解耦電池熱失控溫度和壓力變化規律實現提早預警

在國家自然科學基金項目（批準號：62035006、U2033204）等資助下，暨南大學郭團研究員和中國科學技術大學王青松研究員團隊在鋰離子電池熱失控光纖檢測早期預警領域取得重要成果。研究成果以“基于先進光纖傳感技術的商用鋰離子電池熱失控原位監測（Operando monitoring of thermal runaway in commercial lithium-ion cells via advanced lab-on-fiber technologies）”為題，于2023年8月29日發表在《自然·通訊》（Nature Communications）雜志。論文鏈接/articles/s41467-023-40995-3。

隨著全球能源危機的日益突顯，以鋰離子電池為代表的高能量密度、長續航能力、可移動電化學儲能設備在智能電動汽車、綠色儲能電站等領域獲得了蓬勃發展。然而，頻繁發生的電池起火爆炸等安全事故嚴重制約了其進一步發展，其共性原因是電池熱失控。導致電池熱失控的根源，是電池內部一系列復雜且相互關聯的“鏈式副反應”。最具代表性的鏈式反應包括：外部電、熱、機械濫用→內部產熱→SEI膜分解→隔膜熔化→內部短路→安全閥開啟→正極與電解液劇烈反應→電解液分解并產氣→電解液與氣體燃燒→起火爆炸。從局部短路到大面積短路，電池內部溫度快速提升，可高達800 ℃以上，引發電池起火爆炸（圖）。

如何“溯源電池熱失控發生的內在誘因，厘清各分步反應之間的耦聯關系，揭示熱失控主導機制與動力學規律，前移熱失控預警時間窗口”是從根本上解決儲能安全問題的核心。然而，由于電池的密閉結構和內部復雜的反應機制，電池內部核心狀態參量檢測的準確性和實時性無法保證。具有“透視”檢測能力的科學儀器（如中子衍射、X射線衍射、冷凍電鏡等），由于儀器體積龐大、價格昂貴，無法應用于電池使用終端。如何科學、及時、準確地預判電池安全隱患，成為當前電池安全領域的國際性科學難題。

為了攻克這一科學難題，研究團隊提出了一種可植入電池內部的多模態集成光纖原位監測技術，實現了對商業化鋰電池熱失控全過程的精準分析與提早預警。團隊設計并成功研制出可在1000 ℃的高溫高壓環境下正常工作的多模態集成光纖傳感器，實現了對電池熱失控全過程內部溫度和壓力的同步精準測量，攻克了熱失控極端環境下溫度與壓力信號相互串擾的難題，提出解耦電池產熱和氣壓變化速率的新方法，發現了觸發電池熱失控鏈式反應的特征拐點與共性規律，實現了對電池內部微觀“不可逆反應”的精準判別。該研究可為快速切斷電池熱失控鏈式反應提供預警手段。