将光纤传感器纳入钠离子电池

在最近发表在《杂志》上的文章中ACS应用能源材料亚博网站下载，研究人员讨论了光纤传感器在钠离子电池中检测钠电镀检测的实用性。

学习：光纤传感器用于检测钠离子电池中的钠板。图片来源：gcarnero/shutterstock.com

背景

钠离子电池的使用正在加快电池行业。毫无疑问，大多数钠离子电池化学的低成本，资源和环保性质的可及性是推动这一上升的最重要因素。已经启动了许多研究项目，以找到用于钠离子电池的替代阳极材料。亚博网站下载

尽管对许多替代品（例如苯丁香，锡和磷）进行了有希望的结果测试，但硬碳仍然是选择的标准材料。尽管这些硬碳品质是有益的，但低插值电位会增加电荷期间盐镀的可能性。

（a）中显示了光学 - 电化学设置的示意图，其液体传感器放在铜 - 钠半细胞中的铜电极表面上。光单元的图像显示在（b）中。图片来源：Hedman，J等人，ACS应用能源材料亚博网站下载

为了避免加速降解和树突短路的潜力，检测到细胞中的镀层至关重要。传统上使用了促进对阳极电位的合适观察的钠半细胞或三电极细胞的缓慢循环。

基于两电极细胞中的差异能力或电压分析的电化学方法，可以通过电化学方法进行在线监测，但是它们需要非常精确和准确的测量，并且从排放曲线中间接检测到电镀。可以通过开发光纤传感器来可靠地识别镀层，然后在沉积任何大量钠之前，可以可靠地识别镀层，从而中断或减少电流，以避免细胞衰竭。

关于研究

在这项研究中，作者讨论了Opitando纤维光学逃生波（FOEW）光谱的实用性，以立即检测到电化学细胞中的钠金属板。在一半和全电池配置过程中，用裸铜底物和硬碳阳极在裸铜底物和硬碳阳极上进行测量，并以各种速度的播种过程中的硬碳上的镀金。

该团队表明，泡沫传感器可以检测到硬碳电极和铜箔上的钠金属沉积。由于插入位点不足，即容量褪色或平衡细胞较差的阳极以及极化诱导的电镀，因此在硬碳中发现了电镀。研究是使用细胞设计中的市售电极进行的，这些电极保持不变，以在分离器和硬碳电极之间添加125μm的光纤。

研究人员通过将两个标准和步骤指数多模光纤插入芯细胞中，核心直径为105.5μm，而直径为125μm的无核光纤纤维的每一端，直径为125μm，直径为125μm。所有电化学研究均在三电极袋细胞中，并具有一半或全细胞构型的集成液体传感器。

电镀实验后的铜工作电极，显示了光纤传感器，苔藓金属钠和附着的玻璃纤维分离器的痕迹（左）。玻璃纤维分离器具有面向铜工作电极的表面，表明金属钠渗入了分离器（右）。图片来源：Hedman，J等人，ACS应用能源材料亚博网站下载

观察

阴极的空中容量约为1.87 mAh cm^-2。在0.1C时形成期间，第一个库仑效率达到90.72％。大约60 mAh g之后^-1，工作电极的电势降至零以下。随着长时间的镀板，所有波长的强度下降开始在580 mAh g处消退^-1，类似于在铜上镀铜时看到的饱和区的发作，该区域在1520小时后出现。当电流约为-0.118 mA cm^-2被用于减少钠离子，观察到在850至900 nm之间的波长下的孤立响应，随着波长的强度逐渐增加。

高率> 1.5 mAh cm的全细胞^-2并集成的FOEW传感器在袋中循环良好，这些袋中使用了普鲁士白阴极和硬碳阳极。

电镀开始时强度有明显的变化，并且由于检测直接在阳极表面进行，因此它提供了有关硬碳的钠插入和镀层机制的其他信息。此外，传感器可以安装在常规袋细胞中而不会干扰循环，并且可以观察到低和高镀层的速度。

结论

总之，这项研究阐明了光纤传感器可用于直接在多种细胞拓扑结构中直接检测钠金属板。据揭示，使用传感器并不会显着损害完整细胞的循环性能，以及在全细胞快速充电期间检测板的实用性。

尽管与其他阳极（例如石墨）相比，硬碳在解次和屈服期间表现出弱的光学信号转移，但从传感器中收集的信息不仅可以用于检测镀层，而且还可以产生有关阳极材料的信息。

作者强调，一种可以直接向电池管理系统（BMS）提供直接反馈以暂停不安全的电荷操作的简单分析方法可以使电池用户能够更接近其系统限制，危险较小，从而产生更安全，更持久的电池。

他们还认为，本研究中开发的结论和实验方法应适用于各种电池系统，例如石墨上的锂电池或无阳极电池的评估。

资源

Hedman，J.，Mogensen，R.，Younesi，R。等。光纤传感器用于检测钠离子电池中的钠板。ACS应用能源材料（2022）。亚博网站下载https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaem.2c00595

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