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光纤布拉格光栅传感器赋能镍锌电池监测，精准锁定理想电压窗口
2026年05月15日 10:46:21
来源：化工仪器网 点击量：4484
广东工业大学联合挪威科技大学团队，利用光纤布拉格光栅（FBG）传感器实现镍锌电池宽电压窗口下应变与温度原位同步监测，厘清不同电压区间电池双电层行为、法拉第反应及析氢、锌枝晶等副反应演化规律，为锌基电池机理研究、安全预警及性能优化提供全新表征方法与设计思路。
镍锌电池因高功率密度、成本低廉及环境友好等优势，在储能领域极具应用潜力，但电极 - 电解液界面复杂的氧化还原机制及副反应，严重制约其循环寿命与安全性。近日，广东工业大学轻工化工学院刘全兵教授课题组与挪威科技大学 Steven T. Boles 教授团队合作，创新采用光纤布拉格光栅(FBG)传感器，实现镍锌电池循环过程中应变与温度的原位、同步监测，精准界定理想工作电压窗口，揭示多尺度演化规律。相关成果发表于《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)。
镍锌电池充放电过程中，电极相变、离子迁移及析氢、锌枝晶生长等副反应，会引发电池内部形变与温度波动，直接影响电池性能。传统电化学表征技术仅能获取电化学信号，难以同步捕捉力学与热响应，无法深入解析失效机制。FBG 传感器作为一种新型光学传感元件，具有高灵敏度、抗电磁干扰、体积小、可原位集成等优势，能实时捕捉电池微小形变与温度变化，为电池多物理场耦合监测提供理想解决方案。
研究团队构建 FBG 原位监测系统，对商用镍锌电池在 1.85 V-1.90 V 宽电压窗口内的循环过程开展系统性测试，实时追踪电池体积形变与温度演化特征，厘清不同电压区间的反应机制与信号关联。
不同电压区间电池行为与信号特征
低电压区间(<1.86 V)：电池应变与温度呈可逆微小波动，与双电层行为高度相关，精准反映界面离子吸附与溶剂重排过程，无明显副反应发生。
正常工作区间(1.86 V-1.875 V)：应变与温度信号和锌的可逆沉积 / 溶出、正极相变过程高度同步，可精准追踪法拉第反应，电池循环稳定性佳，无不可逆反应迹象。
高电压过充区间(≥1.88 V)：充电阶段应变与温度急剧、不可逆上升，清晰指示异常相变、析氢及锌枝晶生长等副反应的发生；即便单次 1.88 V 充电无明显异常，多次循环后仍会触发不可逆反应，为电池过充失效提供早期预警。
该研究首次在镍锌电池体系中，实现从界面双电层行为到整体失效过程的多尺度、原位、同步监测，明确 1.875 V 为安全充电截止电压，规避副反应的同时保障电池容量，界定了理想工作电压窗口。
此次合作成果不仅为镍锌电池失效机制解析提供全新表征手段，也为高安全、长寿命锌基电池的界面设计与性能优化提供重要指导。同时，所开发的多维、可扩展传感框架，可无缝对接下一代电池管理系统，为 AI 驱动的电池健康预测与安全预警提供技术支撑，推动光纤传感技术在储能领域的产业化应用。
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