In situ monitoring of cycling characteristics in lithium-ion battery based on a two-cavity cascade fiber-optic Fabry-Perot interferometer

电池(电) 材料科学 干涉测量 灵敏度(控制系统) 光电子学 温度循环 光纤 电压 热电偶 光学 电气工程 功率(物理) 电子工程 复合材料 热的 物理 量子力学 工程类 气象学
作者
Ke Tan,Hongyu Liu,Xiaoshuang Dai,Zhiyuan Li,Xingyu Li,Weirong Gan,Junfeng Jiang,Tiegen Liu,Shuang Wang
标识
DOI:10.1016/j.meaene.2024.100011
摘要

The state characterization inside the lithium-ion battery during charge/discharge cycling is extremely crucial for understanding the electrochemical reaction mechanism. However, current methods exhibit a challenge to overcome the specific battery environment obstacles, including strong redox properties, strong electromagnetic interference, and fast reaction processes. Hence, more efforts are still needed to monitor the actual state inside the battery accurately and reliably. To address this issue, we designed and developed a compact two-cavity cascade fiber-optic Fabry-Perot interferometer (FPI) sensor that can be safely implanted in batteries to measure internal temperature and pressure simultaneously. With its high pressure and temperature sensitivity of 26.6 ​nm/kPa and 107 ​nm/°C, this sensor exhibits an ultra-low cross-sensitivity of −40 ​Pa/°C. During charge/discharge cycling tests, regular cyclic pressure and temperature signals are obtained at various rates cycling in real-time and in situ, revealing details about the actual state characterization inside the battery. From the experiment results, the pressure inside the battery is divided into reversible changes caused by respiration effects and irreversible changes caused by trace gas production. Furthermore, the FPI sensor provides a more precise temperature than thermocouples that measure the surface temperature of the battery, reflecting the internal/external temperature difference to a maximum of 3.5 ​°C at 1 ​C rate cycling. This operando FPI sensor provides a valuable technological tool for battery performance testing and safety monitoring.
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