锂离子电池安全检测传感器研究进展_赵星.pdf
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1、收稿日期:2022-03-29*国家重点研发计划项目(2021YFF0601100)资助第一作者简介:赵星(1986),博士.研究方向:动力电池安全风险识别与故障诊断.E-mail: 通信作者:董红磊(1982),博士,高级工程师.研究方向:汽车产品运行安全评价.E-mail:锂离子电池安全检测传感器研究进展*赵星1,2王澎1,2抄佩佩1,2李宁3,4梁新苗1,2董红磊5(1.中国汽车工程研究院股份有限公司数据中心重庆 401122;2.国家市场监管技术创新中心(新能源汽车数字监管技术及应用)重庆 4011223.环境科学与工程北京市重点实验室北京理工大学材料学院北京 100081;4.北京理
2、工大学重庆创新中心新材料院士工作室重庆 401120;5.国家市场监督管理总局缺陷产品管理中心北京 100088;摘要:近年来,由于热失控引发的锂离子电池安全事故频繁发生,严重影响了新能源汽车运行安全,作为保障车辆运行安全的有效手段,对电池系统进行安全检测尤为重要。为提高锂离子电池的性能、延长循环寿命,减少热失控安全事故的发生,需要利用传感器技术对电池工作状态进行实时监控和检测。根据电池正常和异常工作状态下各物理量的变化,常用的安全检测信号有应力应变、温度以及特征气体等。目前,用于检测上述信号的安全检测传感器在电池状态检测方面已得到了广泛的应用。然而,传统的传感器存在着体积大、灵敏度低、不耐电
3、解液腐蚀等问题。对新型光纤布拉格光栅传感器、柔性薄膜传感器以及半导体式气体传感器的工作原理进行概述,总结了上述3种传感器在锂离子电池应力应变、温度和气体检测的应用现状,并从稳定性以及灵敏度等角度指出当前研究的不足,如光纤布拉格光栅传感器电池体系适用性差,插入式薄膜传感器影响电池性能,半导体气体传感器精度和寿命低等问题。如何以经济、安全和实用的方式将传感器安装到电芯中,减轻实际应用中传感器对电池循环性能的影响以及提高传感器信号传递的稳定性、精度、灵敏度,是锂离子电池安全传感器开发面临的挑战,仍然需要在传感器、电池设计等方面开展大量实验研究。关键词:锂离子电池;电池失效;安全检测传感器;光纤布拉格
4、光栅传感器;柔性薄膜传感器;半导体式气体传感器中图分类号:TM911文献标识码:Adoi:10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.06.013An Overview on Research Progress of Sensors forDetecting Safety of Lithium BatteriesZHAO Xing1,2WANG Peng1,2CHAO Peipei1,2LI Ning3,4LIANG Xinmiao1,2DONG Honglei51.Data Center,China Automotive Engineering Research Instit
5、ute Co.,Ltd.,401122,Chongqing,China;2.Technology Innovation Center of New Energy Vehicle Digital Supervision Technology andApplication for State Market Regulation,401122,Chongqing,China.3.Beijing Key Laboratory of Environmental Science and Engineering,School of Materials Science andEngineering,Beiji
6、ng Institute of Technology,100081,Beijing,China;4.Beijing Institute of Technology Chongqing Innovation Center,401120,Chongqing,China;5.Defective product administrative center,State Administration for Market Regulation,100088,Beijing,China;Abstract:In recent years,due to the frequent occurrence of li
7、thium-battery accidents caused by thermal runaways,it is particularly important to apply the battery-safety monitoring systems.To improve the performance,extend the锂离子电池安全检测传感器研究进展赵星王澎抄佩佩李宁梁新苗董红磊127交通信息与安全2022 年6 期第 40卷总 241期0引言近年来,在面临能源短缺及环境污染的双重压力下,汽车制造商将目光焦距在绿色二次能源及清洁汽车上,电动汽车由此开始蓬勃发展。锂离子电池(lithiu
8、m ion battery,LIB)因其自放电率低、循环寿命长、功率大和能量密度高而获得支持。充放电过程中,LIB的正负极活性材料中伴随着锂离子的嵌入与脱出,在电极处会产生应力,造成电极材料的应变和体积变化,最终导致材料失效、电池容量衰减和寿命缩短以及可能的安全性问题1-4。此外,为了满足电动汽车长续航需求,锂离子电池能量密度越来越高,由于机械、电气和热滥用等问题的普遍存在,LIB易受到上述因素的影响使电池温度急剧上升,而 LIB 最佳工作温度范围通常限制在1535 5-6。不在最佳工作温度内则电池性能将受到影响,并引发副反应发生,从而导致过热、起火、爆炸的现象,威胁车辆行驶安全以及驾乘人员的
9、生命安全。在锂离子电池失效的过程中,发生副反应同时伴随各种气体产生7-8。因此,在学术界及工业界中,都迫切需要研究评估和监测锂离子动力电池安全性的理论和方法。在动力电池热失控的早期发展阶段,温度变化往往非常缓慢,因此无法通过电池管理系统(bat-tery management system,BMS)较早地监测到故障并采取措施。现存在一些新型的内置型传感器,相对于传统外置型传感器,能够节省电池总体积,同时对电池内部副反应或退化造成的温度、应力骤变有着更灵敏的反应;也避免了传统直接插入式传感器造成的正负极接触距离变大,而引起电池容量、倍率性能衰减的问题。因此,为了最大限度地避免热失控发生,在不同种
10、滥用条件下触发应变、温度升高及产生可燃有毒气体,基于应力、应变、温度,以及气体信号检测的3个角度,采用新型传感器实时监控和检测锂离子电池的工作状态,下面重点围绕3种传感器的应用现状及未来研究方向进行分析。1光纤布拉格光栅传感器光纤布拉格光栅传感器是近年来发展起来的1种新型光纤传感器。光纤布拉格光栅(fiber bragggrating,FBG)传感器9-10具有体积小、抗电磁干扰、非导电性、化学惰性,以及可多路复用等优点,既可以附着在电池表面,也可以嵌入电池内部,适用于新能源汽车用锂离子动力电池的应力应变、温度监控和检测。1.1 工作原理通常,FBG传感器由一段单模光纤(长度为几毫米)组成,光
11、纤核心的结构可以使其折射率随着光纤长度改变发生周期性变化。当光栅被宽频带光源照射时,只有满足特定反射条件的光才会被反射回来,其余光会继续向前传播。被光纤光栅反射的光具有特定波长,称为布拉格波长。图1展示了FBG传感器的工作原理。由光纤光栅耦合模理论11可知,Bragg波长lB为B=2neffB(1)式中:neff为传感光纤芯区的有效折射率;L为光栅周期。当应力、应变、温度 等物理量因环境变化或随cycle life of lithium batteries and avoid the occurrence of those accidents,it is necessary to use se
12、nsor technique tomonitor the working states of batteries in real-time.Based on the changes of physical variables in the batteries work-ing states,the commonly used safety detection signals include stress-strain,temperature,and gas.At present,safe-ty-detection sensors for monitoring the signals are w
13、idely used in battery-state detection system.However,tradition-al sensors have some disadvantages,such as large volume,low sensitivity,and poor resistance to electrolytic corro-sion.After outlining the working principles of the new fiber Bragg grating sensor,flexible film sensor and semi-con-ducting
14、 gas sensor,this paper summarizes the applications of the above three sensors in detecting stress-strain,tem-perature,and gas,and discusses the shortcomings of current studies from the perspectives of stability and sensitivity.The shortcomings include the poor applicability of the fiber Bragg gratin
15、g sensor,the negative impact of the flexiblefilm sensor on battery performance,and the low accuracy and short life of the semi-conducting gas sensor.The ques-tions how to install the sensors into the battery cells in an economical,safe and practical way,how to reduce the in-fluence of the sensors on
16、 the cycle performance of batteries in practice,and how to improve the stability,accuracyand sensitivity of sensor-signal transmission are crucial for the development of sensors for safety detection systemof lithium-battery,which still need massive research on the sensor and battery design.Keywords:
17、lithium battery;battery failure;safety-detection sensor;fiber Bragg grating sensor;flexible film sensor;semi-conducting gas sensor128着电化学反应进行而发生改变时,neff和L特征参数会随之发生变化,从而引起布拉格波长的偏移,传感器利用对光波长的偏移来监测信号,从而实现对温度、压力、应变和弯曲等外部环境静态和动态测量。1.2应用现状Yang等12在锂离子电池技术上研究FBG传感器。使用3个扣式电池,采用FBG测量2个断面的温度。此外,还检测了圆柱形电池平面和侧面上
18、的温度。在060 范围内,FBG传感器校准显示出线性响应。通过校准测量,其灵敏度为10 pm/,与热电偶相比,FBG 温度传感器显示出足够的热响应。尽管采用FBG传感器在锂离子电池上成功进行温度检测,然而量化仍然存在困难。Sommer等联合LG电力公司13-14开发了1个新型的嵌入式传感器FO(以FBG传感器为核心)用于监测锂离子电池内部温度和应力的变化,通过在高性能、xEV级大容量锂离子软包电池中的电极上嵌入了光纤传感器,其中传感器结构示意见图2。实验证明,其密封完整性、容量保持和预计循环寿命都可以与没有嵌入式传感器的现代xEV电池相媲美。该工作着重于使用从嵌入式传感器获得测量值来估计荷电状
19、态(state of charge,SOC)和健康状态(state ofhealth,SOH)。结果表明:在不同温度条件下和动态循环条件下,利用FO传感器测量的应变可用于估算SOC,误差小于2.5%。这项工作确立了将FO传感器嵌入大格式单元的可能性,作为1种低成本、可现场部署的选择,可应用于直接监测xEV和其他先进电池的BMS内部单元状态。随后,该团队利用该传感器研究了锂离子电池外接结构中一些有趣的电化学现象,如快、慢离子扩散过程15和插层阶段过渡点16。研究结果表明:在充放电过程中,由于锂离子在电极活性材料外区快速插层,而在电极活性材料中缓慢扩散,导致电极活性材料中锂离子的分布不均匀,从而导
20、致了电极体积变化。锂离子软包电池从荷电阶段切换到空载阶段后的应变弛豫与SOC有关,SOC越高,应变松弛越容易发生,特别是当SOC为100%时,应变信号松弛幅度可达30%左右,且SOC越高,外电极区锂离子与内电极区锂离子的比例越大。此外,在充放电循环的过程中,电池电极材料会经历可逆的材料相变,即所谓的插层相变,随着电池的老化,这种相变更容易发生在工况使用过程中对电池状态进行实时监测,将有助于电池管理系统(BMS)进行有效的电池状态估计。Fortier等17将FBG传感器集成到锂离子电池扣式电池中,使用FBG传感器记录应变和内外温度,并以循环C/20倍率评估电池性能。FBG传感器被放置在扣式电池内
21、部电极和隔膜层之间,朝向最具电化学活性的区域,采用基于光学的noa65作为密封胶。结果表明:在充放电循环过程中,电池内部具有稳定的应变行为,且电池内部与周围环境之间存在约10 的温差。在过充电时,光纤应变传感器的灵敏度可以达到温度传感器灵敏度的50倍。因此监测表面应变可以提高系统安全性,有效避免热失控。Bae等18研究了2种方法来监测小型锂离子软包电池石墨负极的应变和应力演化。将FBG传感器分别嵌入在石墨负极和隔膜之间,和植入在负材料中,对石墨负级在充放电循环过程中的应变和应力状态进行了测量。研究发现:嵌入的FBG传感器仅受纵向应变的影响,这是因为柔顺的隔板消除了横向应变,而植入的FBG传感器
22、由于封装的结构同时受到纵向应变和横向应变的影响。此外,在100%SOC时,植入的FBG传感器的灵敏度比嵌入的FBG传感器高3倍。反射光入射光光纤布拉格光栅纤芯图1FBG传感器工作原理Fig.1Workingprincipleof FBG sensor电池壳隔膜光纤位于电池中心,以避免卷曲粘结剂95 mm10 mm图2带光纤光栅传感器的FO电缆在大尺寸xEV软包电池中的功能配置13Fig.2Functionconfigurationof FO cablewithfiberBragggratingsensor inlargesizexEVsoft packbattery13锂离子电池安全检测传感器
23、研究进展赵星王澎抄佩佩李宁梁新苗董红磊129交通信息与安全2022 年6 期第 40卷总 241期Novais等19研究了锂离子软包电池的FBG温度测量。2根刻有2个布拉格光栅的光纤用于内部和外部温度测量。测试二氧化硅光纤在含LiPF6盐的电解质中的化学电阻率。在电解液中存放2周后,发现只有极少量的Si溶解,表明这种纤维类型对电解液不敏感。在1035 的温度范围内,外部和内部FBG传感器的平均灵敏度分别为8.40和10.255pm/。得出的结论是,光学FBG温度传感器能够以优异的响应速度检测内部和外部多个位置的温度变化。但是,这些 FBG 传感器测量值并未针对其他(商业)传感器的温度测量值进行
24、验证。Meyer等20将FBG传感器植入电池组以监测其温度变化。电池组的每个电芯都使用FBG温度传感器在预定热点进行监测。热敏电阻用作默认温度传感器,并固定在每4个电池的端子上。发现热敏电阻和FBG传感器存在明显的差异。在快速充电期间,最热电池和最冷电池之间的最大温差为15。FBG传感器的相对精度确定为0.05,而热敏电阻的相对精度仅为1。由此得出,在每个电池上集成FBG传感器可以为BMS提供更准确的测量信息。在电池模块内,FBG 传感器通过线束与BMS相连,线束过多会降低传感器的灵敏度。许守平等21开发了1套基于光纤光栅技术的测温系统,可直接安装在锂电池的正负极极柱上,温度范围为5.085.
25、0,测量精度达到0.01,能够仅用1根光纤实现对模块内每颗电池的精准温度检测。节省模块空间,减少相互干扰,对电池实时状态进行精确管理。Raghavan等22嵌入FBG传感器到LIB内部,以监控电池内部状态。研究表明:具有嵌入式FBG传感器的电池的密封完整性、容量保持率和预计的循环寿命与没有 FBG 传感器的电池具有高度可比性。带有嵌入式传感器的电池可以集成到现有的模块中,相应的系统成本在几百美元的范围内,与传统的系统成本相当。因此,这项工作确立了在大型锂离子电池中嵌入FBG传感器作为内部状态监测的低成本、可现场部署的选择的可能性。褚维达等10将FBG传感器植入锂离子电池电芯内部,并研究FBG传
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