[發(fā)明專利]電池狀態(tài)原位監(jiān)測方法及系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202180051027.1
• 申請日: 2021-08-17
• 公開（公告）號: CN116018706A
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發(fā)明（設計）人: 郭團;麥耀華;黃加強;盧錫洪;李凱偉;鐘海;讓馬里·塔拉斯孔
• 申請（專利權(quán)）人: 暨南大學
• 主分類號: H01M10/42
• 分類號: H01M10/42
• 代理公司: 深圳市精英專利事務所 44242
• 代理人: 戴艷艷

本發(fā)明提供了一種光纖探針對電化學設備(例如電池)內(nèi)部的狀態(tài)進行原位和實時監(jiān)測的方法和系統(tǒng)。該方法包括：將輸入光導入到光纖探針中并檢測從其傳輸?shù)妮敵龉猓桓鶕?jù)輸出光確定電化學設備的健康狀態(tài)。其健康狀態(tài)可以根據(jù)折射率或包層模式或表面等離子體共振(SPR)的變化確定，其中變化是輸出光相對于先前狀態(tài)的瞬時狀態(tài)下的變化。該方法可以同時檢測其他參數(shù)，包括電化學設備內(nèi)部的荷電狀態(tài)、溫度、壓力、應變、位移、振動或釋放的氣體。通過使用纖芯模式的校正，這些參數(shù)也可以實現(xiàn)高精度的測量。

相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求享有于2020年8月18日提交的中國專利申請202010832469.7的優(yōu)先權(quán)，其公開的全部內(nèi)容通過引用并入本文中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電化學設備例如電池的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，具體涉及一種基于光纖的原位、實時監(jiān)測電化學設備狀態(tài)的方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著電動汽車被廣泛接受以及進入物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的新時代，如何確保電池的可靠性和可持續(xù)性已成為當務之急。為了滿足這些需求，開發(fā)先進的技術(shù)變得至關(guān)重要。開發(fā)可以嵌入到電池內(nèi)部的診斷/預測工具，以原位和/或?qū)崟r方式來監(jiān)測電池在正常充放電循環(huán)期間不斷變化的化學性質(zhì)。這些變化可能對電池的功能(例如容量)產(chǎn)生負面影響，和/或監(jiān)測由意外事件引起電池狀態(tài)的突然變化，例如突然碰撞或電池內(nèi)部的某些內(nèi)部變化(例如枝晶生長)導致內(nèi)部溫度/壓力/應變/位移/振動的累積，這些內(nèi)部變化反過來又可能給電池帶來著火或爆炸的高風險。

目前，在最新的電動汽車中，除了使用電流和電壓或放置一些熱探針之外的技術(shù)，人們已經(jīng)付出了相當大的努力來尋求新的診斷技術(shù)。通常鋰和鈉離子電池由浸入液體電解質(zhì)中的兩個電極組成。如今，許多技術(shù)可以原位跟蹤電池的整體變化，例如通過等溫量熱法監(jiān)測熱流，或通過聲學或光學手段跟蹤電極開裂。相比之下，只有少數(shù)技術(shù)可以通過原位監(jiān)測固體電解質(zhì)界面(SEI)成核和生長來實現(xiàn)電解質(zhì)電化學穩(wěn)定性的監(jiān)測，這在很大程度上影響電池的壽命。紅外光譜、質(zhì)譜和核磁共振等非原位方法提供了有關(guān)電解質(zhì)分解的寶貴信息。然而，此類技術(shù)通常需要特定的電池設計，而不是實際生活中的商用電池。最近的報告表明，差熱分析(DTA)有助于原位檢查電解質(zhì)的組成，同時也報導了聲學傳輸如何原位探測電解質(zhì)消耗。然而，要在電動汽車中實施，這兩種方法仍需要克服一些挑戰(zhàn)，例如笨重的DTA設備或用于聲學的液體耦合劑。

顯然，這些都不可能用于正常使用中的電池的常規(guī)監(jiān)測，并且迫切需要部署(至少在大型儲能系統(tǒng)中可以部署)小型，廉價和可靠的設備來實時和原位監(jiān)測電池的健康狀況，并將診斷信息傳遞給系統(tǒng)操作員。為此，必須開發(fā)新技術(shù)來植入多參量傳感器，同時在電池的預期壽命內(nèi)，這些傳感器與電池內(nèi)部通常存在的惡劣電解質(zhì)環(huán)境兼容。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于現(xiàn)有電池監(jiān)測方法的缺點，本發(fā)明提供了一種基于光纖的系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)和方法可以原位和連續(xù)監(jiān)測電池的物理、化學和電化學參量(包括電解質(zhì)化學、離子活性、SEI和枝晶生長)，而不會干擾電池正常運行。

第一方面，提供了一種能夠原位和實時地監(jiān)測電化學設備狀態(tài)的方法，通過將光纖探針設置在電化學設備的內(nèi)部。該方法包括以下步驟：(1)將輸入光導入到光纖探針中，并檢測光纖探針傳輸?shù)妮敵龉猓?2)根據(jù)輸出光確定電化學設備的健康狀態(tài)(SoH)。

如本發(fā)明以及貫穿整個發(fā)明的其他地方所使用的，術(shù)語“電化學設備”指的是從化學反應(例如電池或超級電容器)產(chǎn)生電能或使用電能引起化學反應(例如催化類)的設備或裝置。這里，電池可以包括可充電電池和一次性電池。示例性地，“電池”可以包括鋰離子電池、鋰金屬電池、鉛酸電池、燃料電池、鈉離子電池、堿電池、鈉硫電池、液流電池、固態(tài)電池、混合固液電池、金屬-空氣電池或Zn-MnO₂電池等。示例性地，“催化類”可以包括光電化學電池、光電解電池、光催化電池、電催化電池等。電化學設備可以是單元電池、模塊、電池包或混合儲能裝置的形式。