理大與國際院校合作研發新一代電池及能源系統

隨著社會的流動性增加，充電式電池於汽車、電網、航空、機械人技術和消費電子產品等戰略性行業中有廣泛之應用，成為不可或缺的一環，亦令電池的安全性、可靠性以及技術性能愈見重要。香港理工大學（理大）與法國國家科學研究中心、麻省理工學院和達爾豪斯大學加入由法蘭西公學院（Collège de France）領導的國際研究團隊，共同研發新一代便攜式儲能系統。團隊將具監測功能智能傳感器注入動態電化學裝置中，不但成本效益高，更具有可擴展性。該研究名為「透過光學傳感器對商用鈉鋰離子電池中的化學和耐熱功能進行動態現場原位解碼 (Operando decoding of chemical and thermal events in commercial Na(Li)-ion cells via optical sensors)」（文章連結），已於本周在具影響力的國際期刊《自然能源》上發表。

研究團隊在18650格式電池（商用電池的標準）內置入「布拉格光纖光柵」（FBG）傳感器，取得突破性進展，令電池在以下兩方面的表現得到提升：首先，FBG採用優化的內部結構，令傳感器收集低雜訊而清晰的光學信號。此外，也利用先進的信號分析為電池內部的熱能和化學反應進行解碼，這是前所未見的。

法蘭西公學院教授兼研究團隊的資深作者Jean-Marie TARASCON教授解釋：「目前，商用電池『組』所配備的溫度傳感器是置於電池模組（整組電池），而非直接放於每個電池。傳統的配置方法，導致電池管理系統（BMS）以保守的方式操作，效率亦會降低，這是由於現時的傳感器無法讓我們得知電池內部的實際情況，尤其是熱和化學反應。」透過優化三個光學傳感器的擺放位置，不僅能監測到電池內部和表面的溫度，更可以直接而準確地計算出電池的熱量產生及傳遞速度。因此，採用光纖傳感器進行優化的新型BMS系統，將可以使世界朝著達致儲能系統理論極限的共同目標更近一步。

在此項研究中，FBG傳感器是電池管理系統的關鍵組件之一。FBG傳感器是由理大光電子講座教授及電機工程學系系主任譚華耀教授，與同系的博士後研究員Julien BONEFACINO博士及副教授Steven BOLES博士一同於理大的光電研究中心研發。在譚教授的帶領下，光電研究中心的研發團隊就FBG傳感器已進行將近30年的研究，過去數年成功應用於不同地區的基礎設施項目（如青馬大橋）和多間國際鐵路運輸公司（如香港地鐵、新加坡地鐵等）。在這個跨院校的研究項目中，團隊開發並製造新型「微構造」FBG，與傳統FBG配對使用。這項新穎的技術將多個傳感器組合起來，基於每個傳感器對外在環境的敏感度有別，因此可以實時監測電池內部的溫度和壓力信號，利用這種精確的監測技術來解讀電池的運作和損壞情況等關鍵數據，例如在實際操作時，以前所未有的解析度研究電池電解液的分解。

作為FBG研究領域的專家，譚華耀教授表示：「這項研究成功融合電池科學與光纖傳感工程，讓項目在技術與科學上取得長足的進展。FBG的化學穩定性和縮放自如的電池性能，尤為適合在能源行業開拓更多嶄新的應用。」

展望未來的應用，這種技術具有很大的拓展潛力。與此同時，團隊亦已著手研究其他儲能設備，例如鹼性電池、燃料電池和超級電容器，並將技術應用於光催化和水分解制氫技術等重要領域之上。

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