[發(fā)明專利]一種電池監(jiān)測系統(tǒng)和監(jiān)測方法

有效

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• 申請日: 2021-02-09
• 公開（公告）號: CN113078375B
• 公開（公告）日: 2022-12-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳勐勐;徐飛;周林;陳燁;丁梓軒;熊毅豐
• 申請（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號: H01M10/42
• 分類號: H01M10/42
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 蘇虹

本發(fā)明公開了一種電池監(jiān)測系統(tǒng)和監(jiān)測方法，包括多波長光源、波分復(fù)用器、導(dǎo)光纖維單元、光譜掃描儀，多波長光源用于提供多波長探測光信號，光譜掃描儀用于接收并處理導(dǎo)光纖維輸出的響應(yīng)光信號；多波長探測光信號經(jīng)波分復(fù)用器注入至導(dǎo)光纖維單元，導(dǎo)光纖維輸出的響應(yīng)光信號經(jīng)光譜掃描儀進(jìn)行處理。本發(fā)明將微納導(dǎo)光纖維探測技術(shù)引入電池安全預(yù)警領(lǐng)域，實現(xiàn)電池內(nèi)部壓強(qiáng)、溫度、應(yīng)變、枝晶生長過程等多個參量的原位監(jiān)測。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電池領(lǐng)域，特別是涉及一種電池監(jiān)測系統(tǒng)和監(jiān)測方法。

背景技術(shù)

鋰電池是下一代綠色新能源發(fā)展的主要方向，現(xiàn)有的商用電池多為鋰離子電池，為獲得更高的電池效率，鋰電池是下一代電池的優(yōu)選對象。然而，鋰電池在經(jīng)較多循環(huán)次數(shù)后或在工作環(huán)境不穩(wěn)定的極端環(huán)境下極易生長枝晶，枝晶一旦刺破隔膜將造成電池短路，甚至能造成電池爆炸，存在較大的安全隱患。

隔膜是電池內(nèi)部的一個關(guān)鍵部分，位于電池的正、負(fù)極之間，其功能為：一方面是將正、負(fù)極的材料隔開，防止因正負(fù)極接觸而短路；另一方面是使電解液中的離子通過隔膜，完成充、放電的過程。而目前尚未實現(xiàn)對枝晶及其生長過程的原位監(jiān)測。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種電池的監(jiān)測系統(tǒng)和監(jiān)測方法，可實現(xiàn)對電池內(nèi)部環(huán)境的高精度、原位、實時監(jiān)測。

技術(shù)方案：本發(fā)明的一種電池監(jiān)測系統(tǒng)，其包括多波長光源、波分復(fù)用器、導(dǎo)光纖維單元、光譜掃描儀，多波長光源用于提供多波長探測光信號，光譜掃描儀用于接收并處理導(dǎo)光纖維輸出的響應(yīng)光信號；多波長探測光信號經(jīng)波分復(fù)用器注入至導(dǎo)光纖維單元，導(dǎo)光纖維輸出的響應(yīng)光信號經(jīng)光譜掃描儀進(jìn)行處理。

本發(fā)明的監(jiān)測系統(tǒng)采用多波長光源，將光源接入波分復(fù)用器，波分復(fù)用器將多個波長信號分別耦合到多根導(dǎo)光纖維，以便將各個波長的信號分別用于安全預(yù)警監(jiān)測。將該系統(tǒng)嵌入電池隔膜，這一方案可提高傳感器的空間分辨率，更全面地監(jiān)測電池內(nèi)部的枝晶生長過程和溫度、壓強(qiáng)等參量在電池內(nèi)部的區(qū)域分布狀況。本發(fā)明提高空間分辨率和電池內(nèi)部參數(shù)測量精度的原理為：一方面多根導(dǎo)光纖維平行或呈網(wǎng)格形嵌入隔膜，導(dǎo)光纖維布滿整個隔膜覆蓋區(qū)域，因此可監(jiān)測導(dǎo)光纖維所覆蓋的全部區(qū)域；另一方面導(dǎo)光纖維本身中所嵌的結(jié)構(gòu)單元，使導(dǎo)光纖維對周圍環(huán)境的變化非常敏感，可以監(jiān)測溫度、壓強(qiáng)、枝晶生長過程等多種待測參量。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案提高空間分辨率和電池內(nèi)部參數(shù)測量精度：該方法使用導(dǎo)光纖維和制作在導(dǎo)光纖維上的微結(jié)構(gòu)作為傳感系統(tǒng)中的物理量傳感元件，同時導(dǎo)光纖維也是信號傳輸介質(zhì)，前端信號源輸出多波長激光信號，使用波分復(fù)用器(WDM)將各個波長的信號分別注入多根導(dǎo)光纖維并實現(xiàn)對不同區(qū)域的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，各響應(yīng)信號又分別經(jīng)WDM輸出致光譜儀，以實時獲取監(jiān)測結(jié)果。

其中，將導(dǎo)光纖維單元布設(shè)于待監(jiān)測部位，導(dǎo)光纖維單元包括若干平行或交叉設(shè)置的導(dǎo)光纖維；交叉設(shè)置可采用井字形的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中井字型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中不同方向的導(dǎo)光纖維間的夾角可以在0-180度之間，根據(jù)實際應(yīng)用場景適當(dāng)選擇。

優(yōu)選地，導(dǎo)光纖維單元包括多根導(dǎo)光纖維，每根導(dǎo)光纖維的直徑小于125μm，即導(dǎo)光纖維尺寸在微納尺寸領(lǐng)域，其直徑＜125μm，微納導(dǎo)光纖維對周圍折射率敏感，一旦出現(xiàn)枝晶生長，導(dǎo)光纖維折射率環(huán)境將發(fā)生變化，因此可實現(xiàn)對枝晶生長過程的原位實時監(jiān)測。

可選的，導(dǎo)光纖維上制作有微結(jié)構(gòu)(光柵、FP腔、V型槽、傾斜槽等結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)表面可鍍增敏材料)，導(dǎo)光纖維上的微結(jié)構(gòu)可用于溫度、壓強(qiáng)、應(yīng)變等參量的監(jiān)測。

所述導(dǎo)光纖維的表面覆有防腐層，以防光導(dǎo)纖維被電解液腐蝕；另可在導(dǎo)光導(dǎo)纖維上涂增敏材料，提高參數(shù)測量的精度。

其中，上述導(dǎo)光纖維單元包括若干平行設(shè)置的導(dǎo)光纖維，波分復(fù)用器包括第一波分復(fù)用器和第二波分復(fù)用器；多波長光源的輸出端與第一波分復(fù)用器的輸入端相連，第一波分復(fù)用器的輸出端與導(dǎo)光纖維的一端相連，導(dǎo)光纖維的另一端與第二波分復(fù)用器的輸入端相連，第二波分復(fù)用器的輸出端與光譜掃描儀的輸入端相連。