Fiber Bragg Grating Optical Sensors for Strain and Temperature Monitoring of Lithium-Ion Coin Cells
Abstract
Denne masteroppgaven tar for seg bruk av fiber optiske sensorer, nærmere bestemt Fiber Bragg Grating (FBG) sensorer, til å utføre målinger på litiumionbatterier i form av knappeceller. FBG sensorer har som egenskap å måle temperatur og deformasjon i sanntid. Hypotesen oppgaven bygger seg på er at ved å måle disse parameterene, kan man øke sikkerheten og levetiden til batterier. Studien basserer seg på knappeceller bestående av grafitt (AG) anode og litium nikkel mangan kobolt (NMC111) katode.
Labarbeidet innebar sammensetting av knappceller, montering av FBG på overflaten, for så å måle temperatur og deformasjon under forksjellige opp- og utlandings sykluser. Dette innebar både formasjons sykluser, normale opp- og utlandinger, og under ekstremeforhold. Dette gav verdifulle resultater om batterienes tilstand. Ettersom FBGene måler to parameter om gangen, var en av utfordringene i oppgaven å adskille endringene i den reflekterte bølgelengden til henholdsvis temperatur og deformasjon.
Under dette og andres arbeid har FBGer vist seg som effektive sensorer til å bedre sikkerhet og ytelse til litiumionbatterier. Tidligere studier har funnet gode korrelasjoner mellom den reflekterte bølgelengden og de to batteriparameterne SoC (ladningsstatus) og SoH (helsestatus). Dette ble ikke observert under dette studiet, trolig grunnet en kombinasjon av det harde skallet til knappeceller, små variasjoner i temperatur og ekspansjon under normal bruk, samt for høy bakgrunnstøy som påvirket den reflekterte bølgelengden. Det som derimot ble observert er at FBGer kan bli brukt til tidlig oppdaging av feil i batterier, ettersom FBGene kan måle ekspasnjon. Ekspansjon kan komme som følge av gassutvikling i batteriene, som kan resultere i en selvforsterkende overopphetnings reaksjon (thermal runaway), som i verstfall kan føre til brann og eksplosjoner. Målingene viste også god korrelasjon mellom batterifeil og temperaturøkning, men det ble konkludert med at deformasjonsmålingne var mer pålitlige til å indikere feil i batterier. This thesis investigates the application of fiber Bragg grating (FBG) optical sensors for real-time monitoring of lithium-ion coin cells, with a focus on their potential to enhance battery safety and longevity through precise monitoring of strain and temperature. The study utilized lab-made lithium-ion coin cells composed of lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC111) as the cathode and artificial graphite (AG) as the anode.
The experimental work involved the assembly of coin cells and incorporating FBGs on the surface of the cells to perform measurements during cycling. The FBGs monitored external mechanical and thermal changes during different battery cycling conditions such as battery formation, cycling, aging, and under abusive conditions. One of the main limitations of dual-parameter monitoring is the necessity of a good method for decoupling the parameters, as well as minimizing background noise. Through the reference sensor method, the setup chosen allowed for dual-parameter monitoring, providing valuable insights into the battery’s operational state.
FBG sensors have proven to be an effective tool for enhancing safety and performance in lithium-ion batteries by providing real-time strain and temperature measurements. Direct correlations between strain and SoC or SoH were not observed due to the small variations and hard casing of the coin cells. However, significant findings from the study demonstrated that FBGs could detect deformations and temperature changes, providing useful real-time monitoring for battery management systems. This capability showed good results for early prediction of failure through detecting a rapid increase in strain. Volume expansion indicates substantial gas formation, an early indicator of thermal runaway. In this setup, strain measurements were found to be a more reliable indicator of battery malfunction than temperature measurements.