電池在可再生能源持續轉型的過程中發揮著不可替代的作用，特別是可充電鋰離子電池（LIB）日益成為消費電子、電網、航空航天和電動汽車等戰略新興行業的主導力量。基于無機固體電解質的全固態鋰離子電池（ASSB）可提供更高的安全性，更是下一代儲能產業有力的候選者。

隨著鋰離子電池廣泛在各領域應用，其大規模使用引發的安全性和可靠性等問題也逐漸成為人們關注的焦點。在電池充放電過程中電極產生的化學機械應力及其引起的電極材料體積變化是影響電池循環壽命的重要因素。目前，通過電化學透射電鏡、原子力顯微鏡等原位手段可以直觀地觀察到充放電過程中應力所引起的電極材料形貌變化（如開裂、塌陷等），但在微觀尺度上，特別是對電池內部的應力變化檢測仍缺乏有效手段。探索可植入電池內部的原位檢測技術，是當前研究面臨的難點。

據麥姆斯咨詢報道，近期，法國科學院Jean-Marie Tarascon教授及其團隊提出一種可用于監測電池電極以及電極/電解液界面應力的方法，利用光纖光柵（FBG）傳感器對含有液態或固態電解質的電池進行非侵入性地測量，從而獲取與電池內部應力變化相關的信息。該研究在微觀尺度下，實現了對電極材料在電化學儲能過程中內部應力變化的測量，對推動高能量密度、高循環壽命電池的研究意義重大。該研究成果已發表于Nature Communications期刊。

Jean-Marie Tarascon教授是發明聚合物鋰離子電池（PLB）的鼻祖，他開創了將軟包裝材料應用于鋰電池的先例，從而使聚合物鋰離子電池成為當前主流電池產品之一。

在此次研究中，Jean-Marie Tarascon教授及其團隊利用FBG傳感器對含有液態或固態電解質的InLix和LixSi電極中鋰驅動的應力變化進行了監測，并展示了FBG傳感器在各種全固態電池裝置（InLix | Li3PS4 | Li4Ti5O12或InLix | Li3PS4 | InLix）中不同位置的工作場景。借助經驗和理論模型的數據分析，研究團隊對電極和界面上的應力變化情況進行了分析評估。

實驗裝置及FBG傳感器工作原理；InLix ||鈦酸鋰（LTO）液態電解質電池中鋰驅動的應力監測實驗

InLix | LPS | LTO全固態電池中鋰驅動的應力監測實驗

對稱InLix | LPS | InLix全固態電池裝置中鋰驅動的應力監測實驗

利用放置在InLix電極和固態電解質LPS之間界面上的FBG傳感器，研究團隊成功地監測到了電極的應力變化。通過監測電池循環過程中的光學信號，并將其轉化為壓力信號且與電壓曲線相關聯，在電極水平上定量地獲取到了鋰驅動的局部應力變化，證明了這種原位表征技術對全固態鋰離子電池局部靈敏度十分有益，而這在具有外力傳感器的全固態鋰離子電池中從未實現過。此外，研究團隊還成功區分了納米和微米硅顆粒對鋰離子吸收的電極行為，并分析了電極孔隙率對顆粒膨脹的重要性。

Jean-Marie Tarascon教授及其團隊稱，FBG傳感器在監測局部機械應力方面具有巨大潛力，不過，要精確地確定復合電極等機械復雜系統中應力的起源和變化，未來還需要開展大量研究工作，包括不斷優化電池硬件設計以使FBG傳感器更容易地集成和定位在電池組件內，此外，還要進一步加強鋰驅動的材料機械性能（如楊氏模量）變化的理論研究，以更深入地解釋觀察到的應力變化。

原文標題：光纖光柵傳感器“問診”電池：非侵入性應力測量

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