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光纤传感

【OFDR应用案例】武汉理工大学王宁团队AEnM：OFDR原位重构软包电池快充内部应变场

前言

快充是动力电池和储能电池发展的重要方向，但高倍率运行并不只是电化学反应加快，还会伴随电极膨胀、收缩和局部应变积累。由于软包电池内部结构被外壳封装，传统表面测量、外部成像和循环后拆解难以连续捕捉真实运行过程中的应变演化。如何原位解析电池内部力学响应，成为理解快充退化、安全风险和结构优化的重要问题。

针对这一挑战，武汉理工大学王宁团队将 OFDR 分布式光纤传感技术引入 LiFePO₄/石墨软包电池内部，通过在电极中嵌入一根连续光纤，构建了运行过程中的原位应变感知通道。研究不仅实现了软包电池内部应变场的二维重建，还揭示了高倍率条件下电极由同步“呼吸”向动力学失同步转变的过程，并进一步发现应变热点与循环后局部结构演化之间存在空间关联。

OFDR 分布式光纤传感与软包电池集成

研究选用LiFePO₄/石墨软包电池作为实验对象，将单根连续聚酰亚胺涂覆光纤嵌入电池内部，并沿蛇形路径布设于电极平面内。相比传统离散点式传感，分布式光纤能够沿光纤全长获取高密度信号，更适合捕捉电池内部应变的空间梯度和局部热点。

在电化学循环过程中，电极的局部膨胀与收缩通过界面接触传递至光纤，并表现为沿光纤路径的分布式应变变化。随后，根据预设的蛇形布设路径，将一维光纤信号映射到电极平面坐标中，并通过插值方法重建二维内部应变场，从而实现软包电池运行过程中内部应变分布的可视化。

在正式分析前，研究首先验证了光纤嵌入对电池性能的影响。结果显示，嵌入光纤的电池与原始对照电池在循环性能、差分容量特征和电压响应方面保持较好一致，说明该传感结构没有引入可检测的电池级电化学扰动。

图 1｜分布式光纤传感策略 单根连续光纤嵌入软包电池电极叠层内部，电化学反应引起的局部变形传递至光纤，并通过 OFDR 技术转化为分布式应变信号，进一步重建二维内部应变场。

倍率变化下的内部应变响应

随着 C 倍率升高，电池内部应变响应明显放大，而且这种放大并不是简单线性增长。这说明高倍率运行会使电极叠层逐渐偏离低倍率下较为均匀的准平衡变形状态。

即使在 0.5 C 条件下，不同区域也已经表现出差异化的应变模式：靠近极耳约束区域的 Site I 以拉伸响应为主；中心区域 Site II 表现出更强的延迟膨胀；远端区域 Site III 则呈现压缩主导特征。也就是说，软包电池内部并不是整体同步膨胀和收缩，而是受到极耳几何、边界约束、界面接触和电极叠层变形路径共同调控。

为了进一步量化充放电路径之间的差异，研究引入了应变不对称因子 η。结果显示，Site I 的 η 随倍率升高逐渐增大，说明极耳附近受约束区域的力学滞后不断增强；Site III 在 1.5 C 下 η 达到 0.588，表明高倍率下压缩主导区域也会出现显著力学不可逆性。相比之下，Site II 虽然应变幅值较大，但 η 值相对较小，说明“大应变”并不必然意味着“强滞后”。

这一结果表明，内部力学不可逆性不仅取决于应变大小，还与局部变形模式和几何约束密切相关。软包电池中的极耳布局、层压压力和封装边界等因素，都会影响应变在电极平面内的重新分布。

图 2｜快充下的应变失同步不同区域呈现拉伸主导、延迟膨胀和压缩主导等差异化响应。随着倍率升高，内部应变的空间异质性和充放电路径不对称性进一步增强。

全场应变重建与结构演化

基于分布式光纤信号，研究进一步重建了电极平面内的二维应变分布。在 0.5 C 充电至 80% SOC 时，重建结果显示电池上部区域形成明显高应变脊，而下部区域相对平坦。也就是说，即使在较低倍率下，软包电池内部也已经存在空间不均匀的应变分布。

为了验证这些应变热点是否具有真实结构意义，研究根据 OFDR 重建结果选取代表性区域进行循环后 SEM 表征。结果显示，高应变区的残余电极厚度约为 157 μm，低应变区约为 147 μm，两者存在约 6.8% 的表观厚度差异。

高倍 SEM 进一步显示，高应变区域颗粒堆积更为疏松，存在局部空洞，颗粒间接触减少；而低应变区域则保持较致密、紧凑的颗粒网络。结合新鲜电极的对比结果，这种差异说明循环后的结构变化并不能简单归因于初始电极不均匀性，而与运行过程中出现的局部应变集中具有空间关联。原位应变场不仅可以反映电池运行过程中的力学响应，还能够为空间定位潜在结构脆弱区域提供线索。

图 3｜应变热点与结构演化关联高应变区域在循环后表现出更明显的残余厚度变化和颗粒结构疏松，说明 OFDR 重建的原位应变场可用于定位潜在结构脆弱区域。

总结与展望

研究通过 OFDR 分布式光纤传感技术，在 LiFePO₄/石墨软包电池内部建立了原位应变监测通道，实现了运行过程中内部应变场的二维重建。结果表明，软包电池在低倍率下主要表现为相对同步的电极叠层“呼吸”响应，而随着倍率升高，这种同步响应逐渐被打破，内部变形进入动力学失同步状态。研究发现应变局部化与软包电池几何约束、局部温升和循环后结构演化密切相关。高应变区域在循环后表现出更明显的残余厚度差异和颗粒结构变化，说明原位应变场可为识别潜在结构脆弱区域提供依据。未来，分布式光纤传感有望成为连接原位力学诊断与电池结构设计的重要工具，为高功率、高安全和长寿命储能电池开发提供新的实验依据与设计思路。