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研究背景
锂离子 (Li-ion)电池是一种广泛使用的可充电储能设备，其应用领域包括绿色电动汽车和各种日常生活中的个人电子小工具。提高锂离子电池的使用寿命是最重要的，这不仅是为了防止容量过早衰减，也是为了有效减少这些设备产生的危险废物。在电池运行过程中，由于锂离子的脱/插，电极和电解质之间不可避免地会发生一些电化学反应。一方面在充电和放电过程中，晶格膨胀和收缩，即所谓的呼吸，导致可逆的体积膨胀，从长远来看导致结构逐渐老化。另一方面，寄生反应，如电镀、气体生成和固体电解质间相的增长，随着时间的推移，容量保持率下降，导致不可逆转的膨胀，即膨胀，导致锂损失。这些反应，取决于所使用的电极和电解质的化学性质，导致相对体积的变化，范围从1%到 10%。因此，在电池管理系统中，实时监测离子电池的体积变化是提高其寿命和性能的关键领域。
许多研究通过对体积或厚度变化的特征进行研究，使用不同的方法: 中子成像，原位X射线衍射，原位原子力显微镜，三维数字图像关联，机械测量方法，测厚仪，超声波探测和光学传感器。然而，所有的测量方法和传感器要么需要复杂的实验室设置，要么不能无缝集成到现场监测中，而且成本效益不高。因此，对能够提供高精度数据并提供低成本和易于集成到各种电池形式的全方位体积监测方法的需求十分迫切。
压阻式可拉伸聚合物复合材料(PSPC)已被研究为易于裁剪的可拉伸应变传感器可应用于电子皮肤、集成软机器人和可穿戴电子设备。在所有文献报道中，独立的纤维状 PSPC 应变传感器具有微型化的形状和对动态表面的适应性，以及高性能。通常情况下，纤维状的 PSPC应变传感器由导电填料(如碳黑、银纳米线或不同颗粒的混合组合)组成的网络，嵌入弹性聚合物中。在施加应变时，诱发的机械变形转化为导电路径的改变，该路径由导电填料创建，因此获得了电阻的变化。已报道的基于纤维的传感器证明了在≥0.01%的低应变范围内可以检测到最小的应变。然而，对于大多数典型的锂离子电池膨胀监测，要求应变检测的精度低于1微米的尺寸变化，这一点到目前为止还没有实现。
研究成果
高灵敏度的微纤维应变传感器对于检测空间有限的应用中的机械变形很有希望。特别是在原位电池厚度监测方面，高分辨率和低检测限是关键要求。德国Gerardo Hernandez-Sosa及Uli Lemmer教授等人介绍了用于原位钾离子 (Li-ion)电池厚度监测的高灵敏度应变传感器的实现。这种顺应性的纤维状传感器是通过一种可升级的湿法纺丝方法制造的，它采用了嵌入弹性体中的微球核壳导电颗粒的复合材料。传感器的电阻在施加的应变下发生变化，表现出高应变灵敏度和极低的应变检测极限(0.00005)，具有 10 000 次循环的高耐久性。为了证明该传感器的准确性和易用性，在充电和放电周期中监测了鲤离子电池袋电池的实时厚度变化。这项工作为软性微纤维应变片引入了一种有前途的方法，其材料复杂性最低。相关研究以“Piezoresistive Free-standing Microfiber Strain Sensor for High-resolution Battery Thickness Monitoring”为题发表在Advanced Materials期刊上。
图文导读
Figure 1. Fabrication and structure of a free-standing stretchable microfiber strain sensor.
Figure 2. Mechanical properties of the microfibers.
Figure 3. Strain sensing properties of the microfiber sensor.
Figure 4. Employing microfiber sensors for Li-ion cell thickness monitoring.
总结与展望
综上所述，作者成功地展示了通过采用高顺应性的基于微纤维的传感器对锤离子电池进行高分辨率的实时厚度监测。低应变检测的高分辨率是通过采用微球核壳导电填料作为嵌入弹性体的传感元件实现的。这种方法在工作范围内提供了高度的线性响应和高灵敏度，以及快速的响应时间。有前途的动态应变传感特性、轻量级、微型的外形尺寸，以及超过 10000 次循环的耐用性表明，这种经济而简单的方法为现场锂离子电池厚度监测应用提供了很好的途径。此外，基于微球状填料的微纤维传感器为其他小型应变传感应用打开了一条实现可靠的高分辨率应变检测的新途径。它们的应用可以扩展到其他需要在有限的可用空间内以非侵入性的方式进行高分辨率应变传感的领域。
文献链接
Piezoresistive Free-standing Microfiber Strain Sensor for High-resolution Battery Thickness Monitoring
https://doi.org/10.1002/adma.202212189.
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