鋰離子電池安全檢測傳感器研究進展*

趙 星 王 澎 抄佩佩 李 寧 梁新苗 董紅磊

（1. 中國汽車工程研究院股份有限公司數據中心 重慶 401122；2. 國家市場監管技術創新中心（新能源汽車數字監管技術及應用） 重慶 401122 3. 環境科學與工程北京市重點實驗室 北京理工大學材料學院 北京 100081；4. 北京理工大學重慶創新中心新材料院士工作室 重慶 401120；5. 國家市場監督管理總局缺陷產品管理中心 北京 100088；

0 引 言

近年來，在面臨能源短缺及環境污染的雙重壓力下，汽車制造商將目光焦距在綠色二次能源及清潔汽車上，電動汽車由此開始蓬勃發展。鋰離子電池（lithium ion battery，LIB）因其自放電率低、循環壽命長、功率大和能量密度高而獲得支持。

充放電過程中，LIB 的正負極活性材料中伴隨著鋰離子的嵌入與脫出，在電極處會產生應力，造成電極材料的應變和體積變化，最終導致材料失效、電池容量衰減和壽命縮短以及可能的安全性問題[1-4]。此外，為了滿足電動汽車長續航需求，鋰離子電池能量密度越來越高，由于機械、電氣和熱濫用等問題的普遍存在，LIB 易受到上述因素的影響使電池溫度急劇上升，而LIB 最佳工作溫度范圍通常限制在15～35 ℃[5-6]。不在最佳工作溫度內則電池性能將受到影響，并引發副反應發生，從而導致過熱、起火、爆炸的現象，威脅車輛行駛安全以及駕乘人員的生命安全。在鋰離子電池失效的過程中，發生副反應同時伴隨各種氣體產生[7-8]。因此，在學術界及工業界中，都迫切需要研究評估和監測鋰離子動力電池安全性的理論和方法。

在動力電池熱失控的早期發展階段，溫度變化往往非常緩慢，因此無法通過電池管理系統（battery management system，BMS）較早地監測到故障并采取措施?，F存在一些新型的內置型傳感器，相對于傳統外置型傳感器，能夠節省電池總體積，同時對電池內部副反應或退化造成的溫度、應力驟變有著更靈敏的反應；也避免了傳統直接插入式傳感器造成的正負極接觸距離變大，而引起電池容量、倍率性能衰減的問題。因此，為了最大限度地避免熱失控發生，在不同種濫用條件下觸發應變、溫度升高及產生可燃有毒氣體，基于應力、應變、溫度，以及氣體信號檢測的3 個角度，采用新型傳感器實時監控和檢測鋰離子電池的工作狀態，下面重點圍繞3 種傳感器的應用現狀及未來研究方向進行分析。

1 光纖布拉格光柵傳感器

光纖布拉格光柵傳感器是近年來發展起來的1種新型光纖傳感器。光纖布拉格光柵（fiber bragg grating，FBG）傳感器[9-10]具有體積小、抗電磁干擾、非導電性、化學惰性，以及可多路復用等優點，既可以附著在電池表面，也可以嵌入電池內部，適用于新能源汽車用鋰離子動力電池的應力應變、溫度監控和檢測。

1.1 工作原理

通常，FBG傳感器由一段單模光纖（長度為幾毫米）組成，光纖核心的結構可以使其折射率隨著光纖長度改變發生周期性變化。當光柵被寬頻帶光源照射時，只有滿足特定反射條件的光才會被反射回來，其余光會繼續向前傳播。被光纖光柵反射的光具有特定波長，稱為布拉格波長。圖1 展示了FBG 傳感器的工作原理。

圖1 FBG傳感器工作原理Fig.1 Working principle of FBG sensor

由光纖光柵耦合模理論[11]可知，Bragg波長lB為

式中：neff為傳感光纖芯區的有效折射率；L為光柵周期。當應力、應變、溫度等物理量因環境變化或隨著電化學反應進行而發生改變時，neff和L特征參數會隨之發生變化，從而引起布拉格波長的偏移，傳感器利用對光波長的偏移來監測信號，從而實現對溫度、壓力、應變和彎曲等外部環境靜態和動態測量。

1.2 應用現狀

Yang 等[12]在鋰離子電池技術上研究FBG 傳感器。使用3 個扣式電池，采用FBG 測量2 個斷面的溫度。此外，還檢測了圓柱形電池平面和側面上的溫度。在0～60 ℃范圍內，FBG 傳感器校準顯示出線性響應。通過校準測量，其靈敏度為10 pm/℃，與熱電偶相比，FBG 溫度傳感器顯示出足夠的熱響應。盡管采用FBG 傳感器在鋰離子電池上成功進行溫度檢測，然而量化仍然存在困難。

Sommer 等聯合LG 電力公司[13-14]開 發了1 個 新型的嵌入式傳感器FO（以FBG 傳感器為核心）用于監測鋰離子電池內部溫度和應力的變化，通過在高性能、xEV 級大容量鋰離子軟包電池中的電極上嵌入了光纖傳感器，其中傳感器結構示意見圖2。實驗證明，其密封完整性、容量保持和預計循環壽命都可以與沒有嵌入式傳感器的現代xEV電池相媲美。該工作著重于使用從嵌入式傳感器獲得測量值來估計荷電狀態(state of charge, SOC)和健康狀態(state of health,SOH)。結果表明：在不同溫度條件下和動態循環條件下，利用FO傳感器測量的應變可用于估算SOC，誤差小于2.5%。這項工作確立了將FO傳感器嵌入大格式單元的可能性，作為1種低成本、可現場部署的選擇，可應用于直接監測xEV 和其他先進電池的BMS內部單元狀態。

圖2 帶光纖光柵傳感器的FO電纜在大尺寸xEV軟包電池中的功能配置[13]Fig.2 Function configuration of FO cable with fiber Bragg grating sensor in large size xEV soft pack battery[13]

隨后，該團隊利用該傳感器研究了鋰離子電池外接結構中一些有趣的電化學現象，如快、慢離子擴散過程[15]和插層階段過渡點[16]。研究結果表明：在充放電過程中，由于鋰離子在電極活性材料外區快速插層，而在電極活性材料中緩慢擴散，導致電極活性材料中鋰離子的分布不均勻，從而導致了電極體積變化。鋰離子軟包電池從荷電階段切換到空載階段后的應變弛豫與SOC有關，SOC越高，應變松弛越容易發生，特別是當SOC為100%時，應變信號松弛幅度可達30%左右，且SOC越高，外電極區鋰離子與內電極區鋰離子的比例越大。此外，在充放電循環的過程中，電池電極材料會經歷可逆的材料相變，即所謂的插層相變，隨著電池的老化，這種相變更容易發生在工況使用過程中對電池狀態進行實時監測，將有助于電池管理系統(BMS)進行有效的電池狀態估計。

Fortier等[17]將FBG傳感器集成到鋰離子電池扣式電池中，使用FBG 傳感器記錄應變和內外溫度，并以循環C/20 倍率評估電池性能。FBG 傳感器被放置在扣式電池內部電極和隔膜層之間，朝向最具電化學活性的區域，采用基于光學的noa65 作為密封膠。結果表明：在充放電循環過程中，電池內部具有穩定的應變行為，且電池內部與周圍環境之間存在約10 ℃的溫差。在過充電時，光纖應變傳感器的靈敏度可以達到溫度傳感器靈敏度的50倍。因此監測表面應變可以提高系統安全性，有效避免熱失控。

Bae 等[18]研究了2 種方法來監測小型鋰離子軟包電池石墨負極的應變和應力演化。將FBG 傳感器分別嵌入在石墨負極和隔膜之間，和植入在負材料中，對石墨負級在充放電循環過程中的應變和應力狀態進行了測量。研究發現：嵌入的FBG傳感器僅受縱向應變的影響，這是因為柔順的隔板消除了橫向應變，而植入的FBG傳感器由于封裝的結構同時受到縱向應變和橫向應變的影響。此外，在100%SOC 時，植入的FBG 傳感器的靈敏度比嵌入的FBG傳感器高3倍。

Novais等[19]研究了鋰離子軟包電池的FBG溫度測量。2 根刻有2 個布拉格光柵的光纖用于內部和外部溫度測量。測試二氧化硅光纖在含LiPF6鹽的電解質中的化學電阻率。在電解液中存放2 周后，發現只有極少量的Si 溶解，表明這種纖維類型對電解液不敏感。在10～35 ℃的溫度范圍內，外部和內部FBG 傳感器的平均靈敏度分別為8.40 和10.255 pm/℃。得出的結論是，光學FBG溫度傳感器能夠以優異的響應速度檢測內部和外部多個位置的溫度變化。但是，這些FBG 傳感器測量值并未針對其他（商業）傳感器的溫度測量值進行驗證。

Meyer 等[20]將FBG 傳感器植入電池組以監測其溫度變化。電池組的每個電芯都使用FBG 溫度傳感器在預定熱點進行監測。熱敏電阻用作默認溫度傳感器，并固定在每4 個電池的端子上。發現熱敏電阻和FBG 傳感器存在明顯的差異。在快速充電期間，最熱電池和最冷電池之間的最大溫差為15 ℃。FBG傳感器的相對精度確定為±0.05 ℃，而熱敏電阻的相對精度僅為±1 ℃。由此得出，在每個電池上集成FBG 傳感器可以為BMS 提供更準確的測量信息。在電池模塊內，FBG 傳感器通過線束與BMS相連，線束過多會降低傳感器的靈敏度。許守平等[21]開發了1套基于光纖光柵技術的測溫系統，可直接安裝在鋰電池的正負極極柱上，溫度范圍為5.0～85.0 ℃，測量精度達到0.01 ℃，能夠僅用1根光纖實現對模塊內每顆電池的精準溫度檢測。節省模塊空間，減少相互干擾，對電池實時狀態進行精確管理。

Raghavan 等[22]嵌入FBG 傳感器到LIB 內部，以監控電池內部狀態。研究表明：具有嵌入式FBG傳感器的電池的密封完整性、容量保持率和預計的循環壽命與沒有FBG 傳感器的電池具有高度可比性。帶有嵌入式傳感器的電池可以集成到現有的模塊中，相應的系統成本在幾百美元的范圍內，與傳統的系統成本相當。因此，這項工作確立了在大型鋰離子電池中嵌入FBG 傳感器作為內部狀態監測的低成本、可現場部署的選擇的可能性。

褚維達等[10]將FBG傳感器植入鋰離子電池電芯內部，并研究FBG 傳感器的存活狀態。研究表明：在光纖光柵表面增加聚酰亞胺涂層能夠增強傳感器的耐腐蝕性，減緩鋰電池內部電解液的腐蝕作用，并能夠長期存活下來。Amietszajew 等[23]采用聚酰胺涂層將裸露的光纖密封在穩定的溫度范圍（-270～300℃）內，穿過鋁管，形成應變保護層。再在鋁管表面增加一層氟化乙烯丙烯熱收縮外皮，減緩電解液的侵蝕。以這種方式制備的元件可以承受循環過程中受到的電氣、化學和機械應力，將傳感器組件插入商用18 650 電池的中心測量內部溫度，利用高精度熱電偶測量電池外表面與環境溫度。除了溫度傳感器外，還使用了鋰金屬參比電極。通過使用FBG傳感器、熱電偶和參比電極，可以獲得電池的熱和電化學響應。根據測量結果得出，電池以比制造商指定的高6.7倍的倍率充電時，不會超過電化學和熱安全限制。因此，這項研究表明通過集成內部溫度傳感器和應用參考電極對于性能優化存在很高的價值。

Huang 等[24]利用由傳統單?；蛭⒔Y構光纖承載的FBG傳感器，展示了同時解碼電化學電池的溫度和壓力，將其應用到商業18 650電池中，具有很高的精度。通過調整纖維形態，高精度解耦與溫度和壓力相關的波長變化，開發經濟型二進制詢問器，以及識別適當的傳遞函數，使得FBG傳感器更加適應目標系統環境，可以用于跟蹤諸如固體電解質間相形成和結構演化等化學事件。這些發現為篩選電解質添加劑、快速識別商用電池的最佳形成過程，以及設計具有更高安全性的電池熱管理系統提供了1個可擴展的解決方案。

1.3 不足與展望

實際應用過程中，光纖光柵傳感器具有一定的局限和不足：①FBG 傳感器同時對多個物理參數敏感，因此存在較大的交叉靈敏度，如應變和溫度。針對這一問題，研究人員已提出了許多方法來同時鑒別應變和溫度，這一敏感問題已經得到部分解決．其研究已經進入實用化階段；②不同電池體系不同電極材料，FBG傳感器的校準和標定具有一定差異，仍面臨較大的技術瓶頸；③光柵本身材質為SiO2，十分纖細脆弱、抗剪切能力差，新能源汽車動力電池所用的FBG 傳感器往往工作在較為復雜的環境中。FBG 傳感器的保護和增敏封裝工作變得尤為重要。FBG 傳感器在儲能電池領域的應用還很新，許多工作需要進一步研究，從這幾個方面深入研究FBG傳感器，改善傳感器性能，提供穩定性對于更好地監測鋰離子電池狀態具有重要的現實意義。

相比傳統的熱敏電阻或應變片，光纖光柵傳感器FBG 傳感器輕量小、靈敏度高、不受電磁場影響等特性，使得它在諸如外部短路等濫用場景中很受歡迎，通過實時監測進而避免電池過充、漏氣、熱失控等故障，延長電池壽命，提供電池運行安全性。此外，固有的化學、機械和熱穩定性表明，現有的操作技術可以擴展到其他能量存儲設備（如燃料電池和超級電容器），以及其他重要的應用（如催化和水分裂）。

2 柔性薄膜傳感器

薄膜傳感器是基于薄膜制備技術發展的1種新型柔性傳感器，具有體積小、熱動態響應時間短、靈敏度高、便于集成等特點。根據傳感器的檢測方式與原理的不同，薄膜溫度傳感器可以分為：薄膜熱電偶和薄膜熱電阻。薄膜應變片常用于監測鋰離子動力電池體積膨脹的變化。

2.1 工作原理

1）薄膜熱電偶。薄膜熱電偶與傳統熱電偶的測溫原理相似，即把2種不同的導體和2端接連在一起構成閉合回路，見圖3，如果2端溫度T和T0不相同時，回路內產生電流和電動勢，該電動勢與溫差具有單調關系，從而稱為熱電動勢。固定其中1 端的溫度，通過測量回路中的電動勢從而得到待測端的溫度。

圖3 薄膜熱電偶工作原理Fig.3 Working principle of thin film thermocouple

2）薄膜熱電阻。薄膜熱電阻與普通熱電阻的工作原理相同。熱電阻是電阻隨溫度變化的器件，包括熱敏電阻和電阻溫度檢測器（resistance temperature detectors，RTD）。與熱敏電阻相比，RTD 更常用于研究LIBs。

大量事實證明，在1個較寬的范圍內，金屬材料的電阻率r可用布洛赫-格林愛森公式[25]表示。

式中：A為金屬的特性常數；M為金屬材料原子量；HD為材料的德拜溫度；T為被測物體的溫度，K;x為材料的溫度積分變量。

當T較高時，式（2）可簡化為。

由式（3）可見:金屬材料電阻率與溫度近似成正比。當傳感器所檢測的電池組件表面溫度快速變化時，薄膜電阻傳感器就會產生阻值變化，由此測出物體表面的溫度。

3）薄膜應變片。應變片的原理是基于金屬絲的電阻值隨其機械變形而變化的特性。當金屬絲的長度為L，截面積為A，電阻率為r時，金屬絲的電阻為

電池內部的應力變化導致植入的金屬絲發生形變，從而影響電阻率。通過測量金屬絲電阻值的變化，即可測出被測物體的應變變化。

2.2 應用現狀

Lee 等[26]開發了用于原位監測鋰離子電池內部溫度的微型柔性薄膜RTD。作者表明這種傳感器響應迅速，能夠準確測量電池溫度，且容易批量生產。柔性薄膜微型RTD 的是基于襯底上沉積的200 nm金屬層，監測其電阻隨溫度變化。傳感器電阻在-20～90 ℃溫度范圍內連續3 個循環顯示出線性行為。然而，線性度沒有被量化，超過3個周期的穩定性和日歷穩定性都沒有顯示出來，如果這些傳感器用于電池內部，這一點非常重要。作者在軟包電池內部集成了2 個微型薄膜RTD，而電池表面采用熱電偶，通過比較電池內部和表面的溫度變化，發現薄膜RTD傳感器響應速度更快，且電池內部溫度高于表面溫度。Lee 等[27-29]繼續這項工作，在之前的傳感器上增加電壓和電流探頭，使其成為三合一傳感器。使用這種傳感器進行溫度測量的精度優于0.5 ℃，響應時間小于1 ms[29]。電池溫度和應變的變化均會引起柔性RTD傳感器的電阻值變化，這可能會影響檢測結果的準確性。

Zhu 等[30]研究了1 種新的嵌入方法，即去除LIB正極上的一小部分活性材料以集成薄膜RTD 傳感器。該方法可以減弱傳感器對活性材料容量損失和損壞的影響。長期循環實驗結果表明:與普通電池相比，電池的腐蝕環境對薄膜傳感器沒有影響，插入薄膜傳感器的電池可以保持良好的循環性能。

薄膜熱電偶傳感器的熱結點厚度多為微米量級，能夠準確測量瞬態溫度的變化。Mutyala等[31]和潘小山等[32]集成柔性薄膜熱電偶（thin film thermocouple，TFTC）到電池中進行內部原位溫度監測。將K 型熱電偶濺射在玻璃基板上，然后轉移到薄銅箔上。用聚酰亞胺絕緣后，熱電偶被集成到軟包電池中。TFTC 的結尺寸比薄膜RTD 小得多，可提供更高的空間分辨率。與薄膜RTD 不同，TFTC 對應變引起的電阻變化不敏感。使用集成柔性薄膜熱電偶進行的測量結果很有希望，但為了持續監測電池狀態，還需考察傳感器材料對電池性能的長期影響。

對于電池內部溫度測量，Martiny 等[33]研究了1種薄膜熱電偶矩陣。將鎳和銅用作熱電偶基體的不同材料并噴涂到Kapton薄膜上。最后涂上1層聚對二甲苯進行保護。制備的傳感器厚度小于27μm，并集成到實驗室規模的軟包LIB 中。在C/9 循環速率下，傳感器對電池性能沒有太大影響，但在電池組裝過程中保護涂層受損，隨后由于腐蝕而導致不穩定。使用Kapton 箔涂層代替聚對二甲苯涂層，第1個熱電偶矩陣得到了改進[34]。盡管Kapton將傳感器厚度增加到54μm，但既提高了熱穩定性，又因基板也是Kapton 從而創造了1 個更均勻的傳感器。然而，改進后的傳感器也遇到了穩定性問題，有必要改進制造工藝以確保長期傳感穩定性。下一步是通過使用液態聚酰亞胺來提高穩定性。除了穩定性問題外，該傳感器附著面積相對較大，可能會降低電池的容量。盡管如此，該傳感器具有測量內部和空間變化溫度的優勢。

薄膜應變片在鋰電池中也得到了廣泛應用。薄膜式傳感器基于柔性超薄結構的熱電偶或熱敏電阻，且通過聚合物的包裹以避免電解液對熱電偶或熱敏電阻本體的腐蝕。熱電偶基于Seebeck 原理實現溫度的測量，除了根據溫度與電阻的線性關系實現溫度測量外，還可根據其電阻變化與應變的線性關系實現應變的測量。

2021年，北京理工大學的朱等[35-36]將薄膜應變片傳感器附著在18650圓柱形鋰離子電池的正極極片的活性材料處，安裝在鋁收集體的中間位置，原位測量電池內部的應變。研究表明：18650鋰離子電池在充電/放電過程中，應變的變化可分為3個階段，這3個階段主要是由鋰化/硅化過程中石墨負極層間距的轉變所引起的。進一步探索了不同負極硅含量的18650鋰電池的周向應變，測得的應變曲線很好地反映了負極的體積膨脹特征，在電池運行過程中，負極的體積膨脹決定了周向應變的變化，充電時應變有所增加，而在放電過程中，應變有相反的變化。

2.3 不足與展望

薄膜傳感器具有體積小、靈敏高、動態響應能力好、便于集成以及良好的機械性能等特性，近年來，薄膜傳感器技術日益成熟，在工業生產中得到了越來越廣泛的應用。

在鋰離子動力電池領域，采用薄膜傳感器監測電池溫度、應力的研究還較少，需要大量實驗監測數據來驗證。在實際應用于電池監測過程中，薄膜傳感器存在以下幾個問題：①絕大部分薄膜傳感器在測量電池內部溫度、應力時會受到電解液的侵擾，逐漸暴露出不穩定甚至故障，目前有許多研究工作圍繞這一方向進行，通過涂各類保護涂層加以緩解；②插入的薄膜傳感器如果附著在電池電極上，對正負電極之間的離子流動有影響，可以觀察到鋰鍍層和容量衰減；③電池固有的電磁屏蔽問題，在不干擾其正常狀態的情況下將內部測量傳輸到電池外部并非易事，未來可以基于柔性薄膜溫度傳感器和無線傳輸對鋰離子電池原位內部溫度場進行監測，克服信號通過外殼傳輸的障礙和不穩定性。未來，薄膜傳感器將逐漸取代傳統的熱敏電阻傳感器。

3 半導體式氣體傳感器

半導體式氣體傳感器利用氣體在半導體的表面發生某些化學反應，致敏感元件的組織發生改變。通常將半導體式氣體傳感器分為電阻型和非電阻型2類。電阻型傳感器中，半導體元件與待測氣體接觸后電阻值會發生變化，通過電阻值與待測參數的函數對應關系測得氣體中的組成和濃度。非電阻型傳感器中，利用半導體元件與待測氣體發生物理或者化學反應后，其他某些非電阻的物理參數發生變化實現對氣體的直接和間接檢測。

3.1 工作原理

一般地，電阻型氣體傳感器的框架為陶瓷管，在外層涂覆一1層薄膜敏感材料，通過膜2端的鍍金引腳對氣體進行測量。在半導體氣體傳感器中，加熱電阻和氣體敏感膜是其中的重要組件，氣體敏感膜經常選用金屬氧化物。將金電極和連接氣敏材料2端連接，使其成為1個等效電阻，電阻的阻值隨待測氣體的組成和濃度的變化而改變。

使用過程中，當加熱金屬氧化物時候，大氣中氧氣能夠奪走金屬氧化物施主能級的電子。在結晶表面上吸附了大量的負電子，而使表面電位增高，進而阻礙了導電電子的定向移動。因此，半導體式氣體傳感器在大氣中的電阻值恒定。當檢測環境中存在還原性氣體時，還原性氣體與吸附在表面的氧將發生化學反應。由于氧分子的脫附，傳感器的表面電位改變，從而傳感器的電阻值隨之減小。同理，當檢測環境中存在氧化性氣體時，從而傳感器的電阻值隨之增大。從而，實現了依據電阻值的大小來檢測氣體的組分和濃度。

半導體式氣體傳感器可以用來檢測鋰電池工作中析出的氣體并進行分析，通常對鋰電池領域常見的H2，CO2，CO，O2等氣體的釋放有較高的敏感性。目前，鋰電池工作中氣體的析出與其安全性能息息相關，多個氣體傳感器公司發展了針對性的半導體式氣體傳感器，比如日本費加羅Figaro（TGS2612）、日本新考思莫施New Cosmos（KD-12B）、日本神榮FIS（SB-500-12）、德國優斯特UST（Hydrogen Power）、英國City Tec（MOX-20）、歐洲艾邁斯Applied Sensors（iAQ-core-C）等。

3.2 應用現狀

Jin 等[37]對磷酸鐵鋰電池組進行過充實驗，采用氣體傳感器分別監測電池在熱失控過程中，產生的H2，CO，CO2，HF，HCL，SO2等6 種氣體。實驗中，特征氣體都被對應的氣體傳感器所監測到，其中氫氣相比于其他氣體更早被識別。在t2=990 s 時，氫氣傳感器監測到有氣體H2釋放出來；在t3=1 425 s 和t4=1 570 s 時，電池才分別出現冒煙和起火現象，可為采取補救措施提供寶貴時間。實驗證實了電池組過充早期負極析出鋰枝晶，與負極粘結劑的發生反應并產生H2，相比于產生其他特征氣體的副反應提前發生。因此，通過對氫氣監測有助于較早時間發現過充過程的安全事故。

郭東亮等[38]研究了氣體傳感器對磷酸鐵鋰電池的安全預警性能，在距離鋰離子電池上方0.4，1.0，1.8 m 距離處分別安裝1 個氫氣傳感器，并在1.8 m處安裝1 個氧氣傳感器，正對著電池中泄壓閥口。研究表明：電池熱失控過程中氧氣的體積分數基本不變，維持在20.6%左右，實驗階段并沒有產生氧氣。在t=2 544 s時，最下方的氫氣傳感器監測到氫氣質量含量急劇升高，較泄壓閥打開提前了88 s。在t=2 618 s時，下方氫氣傳感器監測到氫氣濃度達到設定報警值50 mg/L，并啟動報警。對比安裝在3個不同高度的氫氣傳感器，中間和頂部位置的傳感器分別較底部的傳感器滯后了23，30 s。

王志榮[39]研發了1種鋰離子電池熱失控的自動報警器，選用的氣體傳感器為費加羅公司TGS822TF型的SnO2半導體氣體傳感器。該傳感器對氣體中H2和CO 有較高靈敏度，室溫條件下測試量程為100～1 000 ppm。利用半導體氣體傳感器檢測到H2和CO的濃度達到120 ppm或者更高時，報警單元響應，發出報警信號。

Cummings等[40]也研發了1種鋰離子電池熱失控過程的自動報警器，相比于王志榮等的技術，這種報警器同樣采用SnO2半導體氣體傳感器，但傳感器通過自主技術對于氣體分子的識別可達ppb級別。另一方面，該傳感器不監測H2和CO，而是在電池發生熱失控初期，通過監測電池內部釋放的有機揮發物（volatile organic compounds，VOC）氣體，如碳酸二甲酯（DMC）、碳酸甲乙酯（EMC）、碳酸二乙酯（DEC）等。研究表明：通過氣體傳感器的氣體監測技術，相比于電壓監測和溫度監測，有更早的預警效果，見圖4。利用氣體傳感器監測技術能夠在電池達到熱失控峰值之前7 min，采集到氣體信號并發出預警，比電壓監測提前1.1 min，比溫度監測提前6.5 min[41]。

圖4 鋰離子電池熱失控過程，氣體監測、電壓監測、溫度監測的預警效果對比[41]Fig.4 Comparison of early warning effects of gas monitoring,voltage monitoring and temperature monitoring on thermal runaway of lithium ion batteries

楊啟帆等[42]通過配置不同氣體敏感的傳感器，搭建實驗平臺，對鋰離子電池漏液故障、過充故障、短路故障和高溫故障中氣體的析出情況進行了實時監測，并提出了基于揮發性有機物（volatile organic compounds,VOC）氣體的鋰離子電池故障診斷新方法。多氣體傳感器檢測結果表明：VOC氣體與各類型故障存在更強的關聯性，體現在其析出時間最早且在各種故障中均存在析出；此外，VOC 氣體在漏液故障中的析出占比最大。

劉強等[43]研發了1種基于VOC氣體的鋰離子電池異常狀態的評估系統。通過對VOC 揮發性有機物氣體濃度設置3個閾值，并結合氣體濃度的變化率判斷鋰離子電池所處狀態的異常程度。該系統對于鋰離子電池漏液事故診斷反應迅速，并且可靠性高。

葛磊等[44]研發了1種新能源汽車鋰離子電池熱失控監測告警傳感器裝置。該裝置在第1個工作模式下，溫度傳感器、氣壓傳感器、CO氣體傳感器處于休眠狀態，僅VOC 氣體傳感器處于工作狀態。當VOC 氣體傳感器監測到電池因液漏等原因而揮發出來的電解液氣體，且濃度達到預警閾值時，發出一級告警，并切換至下1個工作模式。下1個工作模式中，VOC氣體傳感器繼續工作。該裝置利用率VOC氣體傳感器靈敏度高的特點，在鋰離子電池安全監控時具有高溫度性，能夠對鋰離子的熱失控發出早期檢測警告。

3.3 不足與展望

半導體式氣體傳感器對鋰離子電池進行安全檢測的過程中具有響應時間快，檢出濃度低，因此具有很好預警效果。

但是，同時半導體式氣體傳感器也存在檢測精度較低、氣體交叉干擾復雜、氣體傳感器本身容易中毒等問題。作為1種新型的鋰離子動力電池安全檢測傳感器，下一步研究可以往下面2 個方面進行深化：①開發精度更高、靈敏度更高、識別種類更多的氣體傳感器，以滿足傳感器的不同類型電池所釋放出的特征氣體進行定性或者定量的識別；②研究氣體傳感器技術跟電壓監測、溫度監測等技術的適配性以及互補性，各種傳感器技術相互協調并取長補短，在對鋰離子電池的熱失控預警中做到更加及時、準確。

4 結束語

動力電池安全問題一直是困擾電動汽車發展的主要瓶頸，由于動力電池的熱失控引發的火災、交通事故頻發，阻礙了新能源汽車行業的健康發展?；跓崾Э貦C理，分別從應力應變、溫度、釋放氣體方面，利用監測到的故障信號來識別和判斷鋰離子電池的工作狀態。

基于電池的電化學特性進行原位檢測技術愈發重要。將以上傳感器應用于電池系統中，都必須注重以下問題。

1）傳感器要充分考慮裝配和集成的合理性，既要保證傳感器能在系統中發揮正常作用，也避免電池因組件集成不當的影響導致容量減少、電阻增大、效率降低等現象發生。

2）傳感器在電池系統中需要在電解液中工作，因此要具有耐腐蝕性，同時不能與電池存在相互的電磁干擾。

3）部分傳感器會同時受到應變或溫度的多種因素變化的影響，所以在計算反饋信號變化的時候要同時考慮多種因素，例如當進行溫度測量的時候，必須保持在完全不受應變影響的條件下進行。

綜述了光纖布拉格光柵傳感器和柔性薄膜傳感器關于電池應力、應變，以及溫度信號監測的應用現狀，及半導體式傳感器在電池產氣信號檢測的應用現狀。此外，還討論各類傳感器的不足及未來研究方向。這3 種傳感器內置于電池系統中，能靈敏檢測電池內部的溫度和應力變化，以便于對安全隱患進行預警。