锂金属电池温度与锂枝晶生长状态在线监测系统及装置的制作方法

本发明属于锂电池内部监测领域，具体涉及一种锂金属电池温度与锂枝晶生长状态在线监测系统及装置。

背景技术：

1、为了满足持续增长的便携式电子设备和电动汽车等新兴产业对高能量密度储能的要求，需要开发高容量负极材料。以锂金属为负极，以过渡金属氧化物、硫、氧气等大容量正极材料为正极，组装而成的锂-过渡金属氧化物电池、锂-硫电池和锂-氧电池等下一代锂金属电池，其电池单体实际能量密度可突破300wh/kg，甚至达到500wh/kg。通过对电池的内部结构进行分析可知，导致电池热失控的原因之一是在电池的循环充放电过程中，电极/电解液的界面处形成锂枝晶，枝晶持续生长造成电池内部正负极短路，持续短路将进一步导致电池出现热失控现象，从而使电池失效，甚至发生严重的安全事故。因此，电池内部监测锂枝晶的生长状态显得尤为重要。

2、目前，针对锂金属电池锂枝晶监测方法主要通过x-ray衍射技术、扫描电子显微镜、拉曼光谱法、原子力显微镜、傅里叶变换以及荧光探针分析等技术来实现。然而，这些监测方法需求的设备一般都较少且贵重，并且诸多检测条件苛刻且制备困难，一般需要拆解电池，特别是现有的诸多方法使用高能射线来实现监测，无法避免对金属锂枝晶形貌的损坏，从而不能够获取真实的信息。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种锂金属电池温度与锂枝晶生长状态在线监测系统及装置，能够很好地实现锂金属电池运行过程中对锂枝晶生长状态实时监测，不会对金属锂枝晶形貌造成损坏，监测方式简单，制备容易且监测结果准确。

2、为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

3、第一方面，提供一种锂金属电池温度与锂枝晶生长状态在线监测系统，包括在锂离子电池单体的阴极植入的光纤oct(optical coherence tomography，光学相干断层扫描仪)探头，以及设置在锂离子电池单体内部的温度光纤光栅传感器，通过光纤oct探头向锂离子电池单体的隔膜垂直发射探测光束，探测光束在光路中遇到生成的锂枝晶而发生反射，根据反射光束处理生成阴极表面锂枝晶的实时图像；温度光纤光栅传感器能够将符合光栅中心波长的光进行反射，经过解调反射光的光谱数据，显示实时温度。

4、作为一种优选的方案，所述光纤oct探头并列设置有多个，多个光纤oct探头连接至同一个光纤分路器，光纤分路器与温度光纤光栅传感器均连接至耦合器，耦合器通过单模光纤连接光源，所述光源产生的光束通过耦合器划分为oct参考臂和oct样品臂，耦合器还连接用于采集光谱数据的光谱仪。

5、作为一种优选的方案，所述耦合器还连接光纤延时线与光纤延时线控制器，oct样品臂上的光纤oct探头激发并采集带有锂枝晶分布信息的光束，oct参考臂的光纤延时线控制器控制光纤延时线重复扫描，调整至与oct样品臂光束光程相同。

6、作为一种优选的方案，所述光谱仪还连接数据处理单元与计算机，两个光程一致的光束叠加并在耦合器处发生干涉，光谱仪采集干涉光谱数据，经数据处理单元处理干涉光谱数据，在计算机上通过图像三维重构处理获得阴极表面局部产生的锂枝晶的实时图像。

7、作为一种优选的方案，所述光源输出的光束通过耦合器到达温度光纤光栅传感器，符合温度光纤光栅传感器光栅中心波长的光被温度光纤光栅传感器反射后，光谱仪采集光谱数据，经数据处理单元解调光谱数据，在计算机上输出显示实时温度。

8、作为一种优选的方案，所述温度光纤光栅传感器采用布拉格光栅，温度光纤光栅传感器能够测量0℃～150℃范围内的温度，实时监测电池内部在充放电过程中电芯不同区域的温度。

9、第二方面，提供一种光纤oct探头，用于所述的锂金属电池温度与锂枝晶生长状态在线监测系统，包括：单模光纤、多模光纤、pet(polyethylene terephthalate，聚对苯二甲酸乙二酯)聚焦透镜以及高反膜；当光束进入光纤oct探头后，依次由单模光纤进行传输，由多模光纤进行扩束，再由pet聚焦透镜进行聚焦之后，经所述高反膜发生反射，侧向出射至锂离子电池单体的内部。

10、作为一种优选的方案，所述单模光纤、多模光纤、pet聚焦透镜以及高反膜封装在oct探头保护壳体的内部。

11、作为一种优选的方案，所述oct探头保护壳体为聚酰亚胺毛细管，所述oct探头保护壳体的外表面涂有聚酰亚胺涂敷层。

12、作为一种优选的方案，所述高反膜采用能够抗氢氟酸腐蚀的材料制成。

13、相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：

14、基于光波干涉的基本原理并实现微米精度下锂离子电池负极的锂枝晶生成状态在线监测，通过在锂离子电池单体的阴极植入光纤oct探头，通过光纤oct探头向锂离子电池单体的隔膜垂直发射探测光束，探测光束在光路中遇到生成的锂枝晶而发生反射，根据反射光束处理生成阴极表面锂枝晶的实时图像。并且在锂离子电池单体内部设置温度光纤光栅传感器，温度光纤光栅传感器能够将符合光栅中心波长的光进行反射，经过解调反射光的光谱数据，进而显示锂离子电池单体内部的实时温度。本发明监测系统采用的光纤oct探头具有无辐射、抗电磁干扰、高集成度、高分辨率及高探测灵敏度等特点，本发明通过图像三维重构处理获得阴极表面局部产生的锂枝晶的实时图像，能够在电化学环境可靠运行，具有更高的空间分辨率，成功解决了锂金属电池运行过程中锂枝晶生长状态难以探测的问题。通过全程在线监测锂枝晶生长状态，有效的监控电池状态，提前预警电池热失控，提高电池安全性。

技术特征：

1.一种锂金属电池温度与锂枝晶生长状态在线监测系统，其特征在于，包括在锂离子电池单体(8)的阴极(801)植入的光纤oct探头(7)，以及设置在锂离子电池单体(8)内部的温度光纤光栅传感器(13)，通过光纤oct探头(7)向锂离子电池单体(8)的隔膜(802)垂直发射探测光束(12)，探测光束(12)在光路中遇到生成的锂枝晶而发生反射，根据反射光束处理生成阴极(801)表面锂枝晶的实时图像；温度光纤光栅传感器(13)能够将符合光栅中心波长的光进行反射，经过解调反射光的光谱数据，显示实时温度。

2.根据权利要求1所述的锂金属电池温度与锂枝晶生长状态在线监测系统，其特征在于，所述光纤oct探头(7)并列设置有多个，多个光纤oct探头(7)连接至同一个光纤分路器(6)，光纤分路器(6)与温度光纤光栅传感器(13)均连接至耦合器(3)，耦合器(3)通过单模光纤(2)连接光源(1)，所述光源(1)产生的光束通过耦合器(3)划分为oct参考臂和oct样品臂，耦合器(3)还连接用于采集光谱数据的光谱仪(9)。

3.根据权利要求2所述的锂金属电池温度与锂枝晶生长状态在线监测系统，其特征在于，所述耦合器(3)还连接光纤延时线(4)与光纤延时线控制器(5)，oct样品臂上的光纤oct探头(7)激发并采集带有锂枝晶分布信息的光束，oct参考臂的光纤延时线控制器(5)控制光纤延时线(4)重复扫描，调整至与oct样品臂光束光程相同。

4.根据权利要求3所述的锂金属电池温度与锂枝晶生长状态在线监测系统，其特征在于，所述光谱仪(9)还连接数据处理单元(10)与计算机(11)，两个光程一致的光束叠加并在耦合器(3)处发生干涉，光谱仪(9)采集干涉光谱数据，经数据处理单元(10)处理干涉光谱数据，在计算机(11)上通过图像三维重构处理获得阴极表面局部产生的锂枝晶的实时图像。

5.根据权利要求3所述的锂金属电池温度与锂枝晶生长状态在线监测系统，其特征在于，所述光源(1)输出的光束通过耦合器(3)到达温度光纤光栅传感器(13)，符合温度光纤光栅传感器(13)光栅中心波长的光被温度光纤光栅传感器(13)反射后，光谱仪(9)采集光谱数据，经数据处理单元(10)解调光谱数据，在计算机(11)上输出显示实时温度。

6.根据权利要求1所述的锂金属电池温度与锂枝晶生长状态在线监测系统，其特征在于，所述的温度光纤光栅传感器(13)采用布拉格光栅，温度光纤光栅传感器(13)能够测量0℃～150℃范围内的温度，实时监测电池内部在充放电过程中电芯不同区域的温度。

7.一种光纤oct探头，其特征在于，用于如权利要求1至6中任意一项所述的锂金属电池温度与锂枝晶生长状态在线监测系统，包括：单模光纤(701)、多模光纤(702)、pet聚焦透镜(703)以及高反膜(704)；当光束进入光纤oct探头(7)后，依次由单模光纤(701)进行传输，由多模光纤(702)进行扩束，再由pet聚焦透镜(703)进行聚焦之后，经所述高反膜(704)发生反射，侧向出射至锂离子电池单体(8)的内部。

8.根据权利要求7所述的光纤oct探头，其特征在于，所述单模光纤(701)、多模光纤(702)、pet聚焦透镜(703)以及高反膜(704)封装在oct探头保护壳体(706)的内部。

9.根据权利要求8所述的光纤oct探头，其特征在于，所述oct探头保护壳体(706)为聚酰亚胺毛细管，所述oct探头保护壳体(706)的外表面涂有聚酰亚胺涂敷层(705)。

10.根据权利要求7所述的光纤oct探头，其特征在于，所述高反膜(704)采用能够抗氢氟酸腐蚀的材料制成。

技术总结
一种锂金属电池温度与锂枝晶生长状态在线监测系统及装置，系统包括在锂离子电池单体的阴极植入的光纤OCT探头，以及设置在锂离子电池单体内部的温度光纤光栅传感器，通过光纤OCT探头向锂离子电池单体的隔膜垂直发射探测光束，探测光束在光路中遇到生成的锂枝晶而发生反射，根据反射光束处理生成阴极表面锂枝晶的实时图像；温度光纤光栅传感器能够将符合光栅中心波长的光反射，经过解调反射光的光谱数据，显示实时温度。当光束进入光纤OCT探头后，依次由单模光纤进行传输，由多模光纤进行扩束，再由PET聚焦透镜聚焦之后，经高反膜发生反射，侧向出射至锂离子电池单体的内部。本发明能够在电化学环境可靠运行，具有更高的空间分辨率。

技术研发人员：徐翀,吴晓康,于杰,刘铭扬,陈义民,刘伟
受保护的技术使用者：中国电力科学研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/22