🔬 applied physics

Advancing Measurement Capabilities in Lithium-Ion Batteries: Exploring the Potential of Fiber Optic Sensors for Thermal Monitoring of Battery Cells

Dit onderzoek demonstreert het potentieel van optische vezelsensoren met Optical Frequency Domain Reflectometry (OFDR) voor het real-time, ruimtelijk opgeloste monitoren van interne en externe temperaturen in lithium-ionbatterijen, waarbij inert glas een hoge gevoeligheid en lokale resolutie biedt zonder beperkende effecten op de thermische metingen.

Oorspronkelijke auteurs: Florian Krause, Felix Schweizer, Alexandra Burger, Franziska Ludewig, Marcus Knips, Katharina Quade, Andreas Wuersig, Dirk Uwe Sauer

Gepubliceerd 2026-03-16

📖 5 min leestijd🧠 Diepgaand

CC BY 4.0

Oorspronkelijke auteurs: Florian Krause, Felix Schweizer, Alexandra Burger, Franziska Ludewig, Marcus Knips, Katharina Quade, Andreas Wuersig, Dirk Uwe Sauer

Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer

De Temperatuur-Check voor Batterijen: Een "Onzichtbare Thermoslang" in je Accu

Stel je voor dat je een lithium-ion batterij (zoals die in je elektrische auto of telefoon) als een levend wezen ziet. Het is een drukke fabriek waar energie wordt opgeslagen en vrijgegeven. Maar net als bij een mens, als het te heet wordt, kan de batterij ziek worden, minder goed presteren of zelfs gevaarlijk worden (denk aan brand).

Tot nu toe hadden we een groot probleem: we konden alleen kijken naar de huid van de batterij. We meten de temperatuur aan de buitenkant, maar we weten niet wat er in de buik gebeurt. Dat is alsof je probeert te weten of iemand koorts heeft door alleen naar hun hand te kijken, terwijl hun inwendige organen al aan het smelten zijn.

Deze paper van onderzoekers van de RWTH Aachen Universiteit introduceert een slimme oplossing: glasvezelsensoren.

1. De "Onzichtbare Thermoslang"

In plaats van een dik, zwaar metalen thermometer (zoals een traditionele sensor) in de batterij te stoppen, gebruiken de onderzoekers een extreem dunne glasvezel. Denk hierbij aan een vezel die net zo dun is als een mensenhaar (ongeveer 0,2 mm).

Waarom glas? Glas is een "sluipschutter" voor elektriciteit. Het laat zich niet storen door de sterke elektrische velden die in een batterij aanwezig zijn. Een metalen sensor zou hierdoor gekke metingen doen, maar glas blijft kalm en geeft de echte temperatuur door.
Hoe werkt het? Ze sturen een lichtsignaal door de vezel. Net zoals geluid echo's maakt in een grot, reflecteert het licht op kleine onvolkomenheden in het glas. Als de temperatuur verandert, rekt of krimpt het glas een heel klein beetje. Dit verandert de manier waarop het licht terugkaatst. De computer leest deze veranderingen en vertaalt ze direct naar temperatuur.

2. De "Lichtkrant" van Temperatuur

Het echte magische stukje is dat deze sensor niet slechts op één punt meet, maar over de hele lengte.

De oude manier: Stel je voor dat je een lange broek hebt en je wilt weten of het in de broekzak warm is. Met een oude sensor moet je op elke centimeter een aparte thermometer plakken. Dat is veel werk en veel draden.
De nieuwe manier: Met deze glasvezel is de hele vezel één grote thermometer. Je kunt zien: "Hier bij punt A is het 20 graden, hier bij punt B (een paar centimeter verder) is het al 25 graden." Ze noemen dit ruimtelijk opgeloste metingen. Het is alsof je een onzichtbare thermoslang hebt die je door de batterij kunt leggen en die je een continu verhaal vertelt over de hitte, van begin tot eind.

3. De "Kookproef" in de Keuken

De onderzoekers hebben deze vezels getest in verschillende situaties, alsof ze een nieuwe kooktechniek uitproberen:

De Koude Sprong: Ze hebben de vezel besproeid met een koude spray (zoals een ijskoude luchtstraal). De sensor zag direct precies waar het koud werd, zelfs op plekken waar het maar een paar centimeter verder was.
De Bocht: Je zou denken dat als je zo'n dunne vezel buigt, hij breekt of de meting verstoort. Ze hebben de vezel om buisjes met verschillende krommingen gelegd. Het resultaat? Zelfs in strakke bochten gaf de sensor een betrouwbaar signaal. Het is alsof je een elastiekje buigt; het rekt, maar het breekt niet en vertelt nog steeds de waarheid.
De Batterij-Test: Ze hebben de vezel in een echte batterijzak (een "pouch cell") gelegd en afgedicht. Ze hebben gekeken of het plakken van de vezel met lijmpunten of het afsluiten van de zak de meting verpestte.
- Het verdict: De lijmpunten veroorzaakten lichte "ruis" (alsof er een klein steentje in je schoen zit), maar op de rest van de vezel was de meting perfect. De sensor kon de temperatuur van 0 tot 80 graden Celsius nauwkeurig volgen, precies zoals een batterij dat in een auto doet.

4. Waarom is dit belangrijk?

Stel je een elektrische auto voor. Als de batterijcellen ongelijkmatig opwarmen (bijvoorbeeld omdat de ene cel sneller laadt dan de andere), kan dat leiden tot een thermische runaway (een oncontroleerbare hitteopbouw die tot brand leidt).

Met deze nieuwe sensor kunnen we:

De "buik" zien: We zien niet alleen de buitenkant, maar ook de hitte in het midden van de cel.
Punten vinden: We kunnen precies zien waar het te heet wordt, zodat we de koeling daarop kunnen aanpassen.
Veiliger rijden: Door vroegtijdig te zien waar de batterij stress krijgt, kunnen we de auto slimmer laten rijden en de levensduur van de batterij verlengen.

Samenvattend

De onderzoekers hebben bewezen dat je met een dunne, onzichtbare glasvezel een batterij kunt "luisteren" naar zijn temperatuur. Het is alsof je een stethoscoop op de batterij legt, maar dan voor de hele lengte in plaats van op één punt. Dit maakt batterijen veiliger, slimmer en duurzamer, en het is een grote stap voorwaarts voor de toekomst van elektrische mobiliteit.

Probleemstelling

De huidige toestand van monitoring van Lithium-Ion-batterijen (LIB's) is beperkt tot metingen aan de buitenkant van de cel (stroom, spanning en oppervlaktetemperatuur). Dit is onvoldoende omdat:

De interne temperatuurverdeling binnen een cel vaak niet homogeen is (bijvoorbeeld door lagere elektrische geleidbaarheid van de kathode).
Temperatuurgradiënten (verschillen tussen kern en oppervlak) de prestaties, levensduur en veiligheid beïnvloeden, vooral bij grotere celformaten (zoals bij "cell-to-pack" en "blade battery" ontwerpen).
Traditionele sensoren (zoals thermokoppels) vaak te groot zijn, lokale drukpunten veroorzaken die de cel kunnen beschadigen, en gevoelig zijn voor elektromagnetische interferentie.
Bestaande optische methoden (zoals Fiber Bragg Gratings - FBG) vaak discrete meetpunten bieden en niet de volledige lengte van de vezel kunnen monitoren.

Er is dus een dringende behoefte aan een methode voor ruimtelijk opgeloste (distributed) temperatuurmeting met hoge resolutie, die bestand is tegen de chemische en elektromagnetische omgeving binnen een batterijcel.

Methodologie

De auteurs hebben de potentie van vezeloptische sensoren onderzocht, specifiek gebruikmakend van de Optical Frequency Domain Reflectometry (OFDR) techniek gebaseerd op Rayleigh-verstrooiing.

Meetprincipe:
- In plaats van pulsen (zoals bij OTDR) wordt een afstembare laser gebruikt die een coherent lichtsignaal door de vezel stuurt.
- Microscopische onvolkomenheden in de glasvezel veroorzaken Rayleigh-verstrooiing. Deze verstrooiing fungeert als een uniek "vingerafdruk"-patroon voor elk segment van de vezel.
- Temperatuur- of rekveranderingen veroorzaken een lichte verschuiving in dit patroon (golflengteverschuiving), die door de OFDR-apparatuur (ODiSI 6104) kan worden gedetecteerd en omgezet in temperatuurdata.
- Dit biedt een continue meting langs de hele vezel (tot 20 meter) met een hoge ruimtelijke resolutie.
Experimentele Opstelling:
- Vezeltypen: Zeven verschillende soorten single-mode glasvezels werden getest, variërend in coating (polyimide, dubbele acrylaat) en kernsamenstelling (Ge-gedoteerd, puur silica).
- Omgeving: Metingen werden uitgevoerd in een klimaatcel (Weiss Technik) en een waterbad om thermische stabiliteit te garanderen. Het temperatuurbereik lag tussen 0°C/5°C en 80°C (typisch voor batterijtoepassingen).
- Validatie: De resultaten werden vergeleken met gecalibreerde referentiesensoren (PT1000 en AD590).
- Integratietests: Er werden tests uitgevoerd om de invloed van integratiestappen te beoordelen:
  - Buigen van de vezel (stralen van 15 mm tot 60 mm).
  - Afdichten van zakcellen (pouch cells) en het effect van lijmpunten en naadsealen op het signaal.

Belangrijkste Bijdragen

Ruimtelijk opgeloste monitoring: Demonstratie dat OFDR-sensoren temperatuurvariaties kunnen detecteren met een resolutie van enkele centimeters (2,6 mm) over de volledige lengte van de vezel, in tegenstelling tot discrete sensoren.
Integratie in batterijproductie: Onderzoek naar de haalbaarheid van het inbrengen van vezels direct in de celstack of in zakcellen, inclusief de effecten van afdichtingen en bevestiging met lijm.
Karakterisering van vezeltypen: Een uitgebreide vergelijking van verschillende vezelcoatings en materialen op hun temperatuurgevoeligheid en stabiliteit binnen het batterijtemperatuurbereik.
Ongevoeligheid voor EMI: Bevestiging dat glasvezels, vanwege hun passieve aard, niet beïnvloed worden door de sterke elektromagnetische velden in batterijen.

Resultaten

Temperatuurgevoeligheid: Alle geteste vezels vertoonden een quasi-lineair gedrag in het bereik van 0°C tot 80°C. De temperatuurcoëfficiënten ( $K_T$ ) varieerden tussen 8,0 en 10,8 µε/°C, wat overeenkomt met waarden uit de literatuur.
Ruimtelijke Resolutie en Ruis:
- Een ruimtelijke resolutie van 2,6 mm bleek een goede balans tussen signaalruis en meetnauwkeurigheid. Bij hogere resolutie (0,65 mm) nam de ruis toe.
- De standaardafwijking bleef binnen de specificaties van de fabrikant (±30 µε).
Invloed van Buigen: Buigen van de vezel over stralen van 15 mm tot 60 mm had geen significante invloed op de temperatuurmeting (maximale afwijking van slechts 2,16 µε). De vezel bleef functioneel zelfs bij stralen kleiner dan de aanbevolen minimumwaarde, hoewel micro-kraakjes een risico vormen bij extreme buiging.
Invloed van Integratie (Zakcellen en Lijmpunten):
- Afdichtingen: De afdichtingsnaad van de zakcel veroorzaakte lokale drukpieken die het meetbereik tijdelijk overschreden, wat resulteerde in meetgaten in het signaal. Echter, buiten deze lokale gebieden bleef de meting betrouwbaar.
- Lijmpunten: Het bevestigen van de vezel met lijm veroorzaakte lichte mechanische spanningen die de ruis iets verhoogden, maar de lineaire temperatuurafhankelijkheid bleef behouden. De gemiddelde $K_T$ voor bevestigde vezels was vergelijkbaar met vrije vezels (~8,0 - 8,1 µε/°C).
- Thermische Relaxatie: Er werd geen significante thermische drift waargenomen over een periode van 48 uur.

Betekenis en Toekomstperspectief

Dit onderzoek bevestigt dat vezeloptische sensoren gebaseerd op OFDR een veelbelovende oplossing zijn voor de thermische monitoring van Lithium-Ion-batterijen.

Veiligheid: Door interne temperatuurgradiënten en hotspots direct te detecteren, kan thermische runaway vroegtijdig worden voorkomen.
Prestatie: Gedetailleerde thermische data stelt batterijbeheersystemen (BMS) in staat om de lading en ontlasting te optimaliseren, wat de levensduur van de batterij verlengt.
Implementatie: De sensoren zijn klein (diameter < 250 µm), chemisch inert en ongevoelig voor EMI, waardoor ze ideaal zijn voor integratie in moderne, compacte batterijontwerpen.

De auteurs concluderen dat hoewel mechanische invloeden (zoals interne expansie van de cel) in de toekomst nog verder onderzocht moeten worden, deze technologie de basis legt voor een nieuw niveau van batterijmonitoring, essentieel voor de ontwikkeling van veiligere en efficiëntere energieopslagsystemen.