就电池而言，其内部的电化学过程很难观察到，因此，不能直接准确地描述电池的失效过程。由于电池内部物理和电化学现象的高度复杂性，实时电极表面反应信息的缺失，有关于电池的实际状态在现场检测中的应用非常有限。目前电池的检测系统主要监控诸如电压、电流和外部温度等参数，以评估电池的荷电状态和使用寿命。这些都不能提供电池内部的物理和化学状态的直接信息混合动力汽车的应用和高密度的能量存储行业需要电池有更大的体积,电池的内部和外部温度之间的差异可以非常大。而分布式光纤传感为内部状态的监测提供了更多可能。
分布式光纤传感在锂电池中的监测
一、锂电池的检测技术
电化学检测法和物理检测法常用于对锂离子电池检测，电化学检测主要是看锂离子电池在工作过程中输出的电化学曲线是否与正常的工作曲线出现了不同，来判断电池工作的好坏。而而物理检测的方法是通过外部的观测仪器或者检测手段，来获得锂离子电池运行状态参量，包括用一些仿真软件，模拟电池瞬态分布、工作电压、液相扩散、电流密度和总热量的特征规律，寻找引起电池失效或者形变的关键位置。在锂离子电池内部，较高的温度会导致较高的应变变化，这是由于锂离子在正电极和负电极间的快速传输引起的，由于电池材料的热膨胀，导致整个电池的形态发生变化。然而，电池内部腐蚀性的化学环境对锂离子电池温度和应变的检测是一个挑战。光纤光栅是实现锂离子电池测量的有效方法，与电子类相比，使用光导纤维的优点是布置方便、响应速度快、抗电磁干扰、低侵入性和体积小。
COMSOL有限元软件中模拟的锂电池组温度梯度图
二、光栅监测原理
理想情况下的锂离子电池是希望离子能够在电极材料之间可逆地脱出和嵌入，不发生电极片上材料消耗、电解液分解、金属锂的不可逆沉积等情况，然而实际电池中总有许多诸如上述类似的副反应发生，逐渐降低电池的使用性能，导致失效。这个失效的过程无法使用传统的传感器检测，如热电偶或热电阻，尽管对温度的检测可以告诉我们热过程已经被改变，但热电阻无法告诉我们在热过程发生改变前，电池内部的物理或结构状态发生了怎样的变化，即温度检测是结果反映，锂电池内部的状态变化才是过程反映，如枝晶的生长，材料的脱落，介质膜的失效等等。将光栅植入锂电池内部，这个过程是在制造锂电池的过程中就已经完成。通过监测电池电压和电流随电池应变和温度的变化，从形成前的初始分布应变中提取电化学循环后获得的应变分布，计算出阳极的不可逆应变分布。同时观察到阳极的膨胀，它们之间、各个边缘之间的断面在形成后经历了机械压缩。在形成过程中观察到不可逆的负极结构变形。 这些结构和温度的变化数据，一是可以修正COMSOL有限元模拟的模型，二是可以实际指导电极和储能材料的结构设计，这对于物理尺寸的设计是非常有用的。且使用的光栅越多，监测点位越密集，效果越好，光纤的尺寸为微米级，体积小，有助于在电池内部的布局。
18650电池中倾斜光栅的布置示意
软包锂电池中布置方式
三、光纤光栅监测技术与电池科学结合
应用具有先进的时间和空间分辨率的光纤传感技术实现对锂电池单元内部各点温度和应变的同时监测。通过对电池单元的内部热和结构监测可以提供有价值的信息，以进一步了解电池性能下降的机理，观察电极应变和温度造成的影响。光纤光栅传感为电极材料的变化提供了进一步的表征方法，有助于优化未来的电池设计。此外，电极应变和温度测量对于验证电池应力和热模型至关重要，从而得到可以防止快速性能退化的可靠电池组设计。总体而言，将光学传感器如光纤光栅传感器和传统锂电池研究方法进行结合将显著提高电池的安全性、可靠性、性能和寿命。相信这一技术在未来会得到广泛应用。
（声明：本文部分图表参考自CNKI或SPIE数据库论文，期刊卷及DOI编号都已在引用部分标出；本公司可提供分布式光纤传感系统，配合各种工程实践研究，价格优惠，性能优异，如有需要，欢迎采购！）
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