香港理工大学与国际研究团队共同研发新一代电池及能源系统

随着社会的流动性增加,充电式电池于汽车、电网、航空、机械人技术和消费电子产品等战略性行业中有广泛之应用,成为不可或缺的一环,这也令电池的安全性、可靠性以及技术性能愈加重要。香港理工大学(理大)与法国国家科学研究中心、麻省理工学院和达尔豪斯大学加入由法兰西公学院(Collège de France)领导的国际研究团队,共同研发新一代便携式储能系统。团队将具监测功能智能传感器注入动态电化学装置中,不但成本效益高,更具有可扩展性。该研究名为「通过光学传感器对商用钠锂离子电池中的化学和耐热功能进行动态现场原位译码(Operando decoding of chemical and thermal events in commercial Na(Li)-ion cells via optical sensors) 」(文章连结),已于本周在具影响力的国际期刊《自然能源》上发表。

将光纤传感器(直径约150微米)注入18650格式电池。通过将光纤直接放入电池中心,传感器可精准监测电池内部的温度和压力。
将光纤传感器(直径约150微米)注入18650格式电池。通过将光纤直接放入电池中心,传感器可精准监测电池内部的温度和压力。

研究团队在18650格式电池(商用电池的标准)内置入「光纤布拉格光栅」(FBG)传感器,取得突破性进展,令电池在以下两方面的表现得到提升:首先,FBG采用优化的内部结构,令传感器收集低噪声而清晰的光学信号。此外,也利用先进的信号分析为电池内部的热能和化学反应进行译码,这是前所未见的。

法兰西公学院教授兼研究团队的资深作者Jean-Marie TARASCON教授解释:「目前,商用电池『组』所配备的温度传感器是置于电池模块(整组电池),而非直接放于每个电池。传统的配置方法,导致电池管理系统(BMS)以保守方式操作,效率也会降低,这是由于现在的传感器无法让我们得知电池内部实际情况,尤其是热和化学反应。」通过优化三个光学传感器的摆放位置,不仅能监测到电池内部和表面温度,更可以直接而准确地计算出电池热量产生及传递速度。因此,采用光纤传感器进行优化的新型BMS系统,将可以使世界朝着达到储能系统理论极限的共同目标更近一步。

在此项研究中,FBG传感器是电池管理系统的关键组件之一。FBG传感器是由理大光电子讲座教授及电机工程学系系主任谭华耀教授,与同系的博士后研究员Julien BONEFACINO博士副教授Steven BOLES博士一同于理大的光电研究中心研发。在谭教授的带领下,光电研究中心的研发团队就FBG传感器已进行将近30年的研究,过去数年成功应用于不同地区的基础设施项目(如青马大桥)和多间国际铁路运输公司(如香港地铁、新加坡地铁等)。在这个跨院校的研究项目中,团队开发并制造新型「微构造」FBG,与传统FBG配对使用。这项新颖的技术将多个传感器组合起来,基于每个传感器对外在环境的敏感度不同,因此可以实时监测电池内部的温度和压力信号,利用这种精确的监测技术来解读电池的运作和损坏情况等关键数据,例如在实际操作时,以前所未有的分辨率研究电池电解液的分解。

作为FBG研究领域的专家,谭华耀教授表示:「这项研究成功融合电池科学与光纤传感工程,让项目在技术与科学上取得长足的进展。FBG的化学稳定性和缩放自如的电池性能,尤为适合在能源行业开拓更多崭新应用。」

展望未来的应用,这种技术具有很大的拓展潜力。与此同时,团队也已着手研究其他储能设备,例如碱性电池、燃料电池超级电容器,并将技术应用于光催化和水解制氢技术等重要领域之上。

(左起)理大电机工程学系副教授Steven Boles博士、理大光电子讲座教授及电机工程学系系主任谭华耀教授,及博士后研究员Julien Bonefacino博士。
(左起)理大电机工程学系副教授Steven Boles博士、理大光电子讲座教授及电机工程学系系主任谭华耀教授,及博士后研究员Julien Bonefacino博士。
法兰西公学院Jiaqiang HUANG博士(右)与Laura Albero BLANQUER博士分别是这项研究的第一和第二作者。
法兰西公学院Jiaqiang HUANG博士(右)与Laura Albero BLANQUER博士分别是这项研究的第一和第二作者。

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