一种上转换柔性荧光光纤及软包电池实时温度监控装置

本发明属于发光材料，具体涉及一种上转换柔性荧光光纤及软包电池实时温度监控装置。

背景技术：

1、锂离子电池已被广泛用作电动汽车、电子产品和大规模储能器件的电源。为了满足长续航里程电动汽车和具有长待机时间的下一代消费电子产品日益增长的需求，人们致力于开发具有高能量密度和大容量的锂离子电池。然而，电化学反应过程中过热引起的高温会导致锂离子电池产生快速的性能退化，甚至热失控，造成巨大的损坏。因此，锂离子电池的实时温度监测是当务之急。

2、最近，光纤已被用于监测锂离子电池内部的物理参数。这种测温策略可以在大范围循环期间实时监测锂电池内部的温度和应力等，而不影响锂离子电池的充放电性能。例如，huang等人使用多个光纤布拉格光栅(fbg)传感器来监测商用钠/锂离子电池中的温度和压力，有助于了解界面生长动力学。此外，blanquer等人在纽扣电池和swagelok电池内嵌入fbg传感器，以检测操作过程中电极和电极/电解质界面处的化学机械应力。此外，mei等人开发了一种紧凑型多功能光纤传感器，并将其插入商用18650电池中，以在热失控过程中即时监测温度和压力，证明了在电池灾难性安全排气之前警告即将发生的热失控的可行性。值得注意的是，fbg的信号是温度、压力和应变的纠缠卷积；多个物理参数的解耦是复杂的。为了解决信号的串扰，迫切需要专门的温度传感。

3、比率型荧光测温以其快速响应、高分辨率和高精度而备受关注。它是通过破译发光材料中发射光谱的荧光强度比(fir)和温度之间的函数来执行的。通常，由于低能光(近红外光)激发的非线性发光行为，比率荧光测温可以在稀土离子掺杂的上转换发光材料中进行。稀土离子具有丰富的阶梯能级，其中具有适当间隙的能级在温度变化过程中发生热耦合。并且在热耦合能级(tcel)中的粒子群体通常表现出玻尔兹曼分布。因此，tcel的fir单调依赖于温度，这表明其在光学测温应用中的潜力。此外，在后续工艺之后，初步合成的发光材料可以在实际场景中作为光学膜或纤维来实现。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种上转换柔性荧光光纤及软包电池实时温度监控装置。所述制备方法简单、易于操作、设备成本低且无污染，所述测温装置能实时原位监控软包电池工作过程中的温度变化。本发明的上转换发光材料具有多个发射峰，波长分别约为530，550和660nm，能被低能量近红外光激发，化学稳定性及热稳定性良好。在变温时位于530nm和550nm的发射峰强度比值可对温度变化有特异性响应，具备用于荧光测温的潜力。

2、本发明的目的至少通过以下技术方案之一实现。

3、一种上转换发光材料，其包含无机化合物，所述无机化合物的化学式为nala1-x-yti2o6:x％yb3+/y％er3+,其中，0≤x≤10，0≤y≤2。

4、优选地，x为5。

5、优选地，y为1。

6、优选地，所述发光材料在980nm激发下产生明亮的绿色上转换发光，且530和550nm波长发射对应的相邻能级在升温时发生热耦合，其荧光强度比对温度变化显示出特异性响应。所述发光材料所发射的激发光源为980nm激光器，热耦合能级对应的发射波长为530和550nm。

7、优选地，所述发光材料的化学式为nala0.94ti2o6:5％yb3+/1％er3+，其在980nm近红外光激发下的发射波长范围为500-800nm，其中热耦合能级发射对应的波长为530nm和550nm。

8、优选地，所述发光材料在343k时，基于荧光强度比测温的绝对灵敏度为2.87×10-3k-1，最大相对灵敏度在253k处取得，为1.05％ k-1。

9、上述的上转换发光材料的制备方法，包括以下步骤：

10、1)按化学通式nala1-x-yti2o6:x％yb3+/y％er3+的化学计量比称取原料，并在玛瑙研钵中研磨30分钟。

11、2)将步骤1)得到的混合物放入氧化铝坩埚，并置于马弗炉中烧结；

12、3)将步骤2)得到的固体在玛瑙研钵中研磨成粉末。

13、优选地，步骤1)中，所称取的x为5，y为1。

14、优选地，步骤2)中，所述高温烧结温度为1300℃，加热时间为0.5-8h。

15、一种柔性荧光光纤材料，包括单模石英光纤、聚二甲基硅氧烷、有机硅胶和所述的上转换发光材料，所述发光材料能够均匀分散于有机硅胶中，注入塑料模板，尾端插入单模石英光纤，加热固化后取出，得到柔性光纤材料内芯。将所制得内芯浸入聚二甲基硅氧烷，高速离心后固化，得到柔性光纤。

16、优选地，所述上转换发光材料为0.2g，所用有机硅胶为1g；所述加热固化温度为100℃，固化时间为0.5-2h。

17、一种柔性荧光光纤温度传感装置，包括激发光源通过权利要求8所述的柔性荧光光纤与光纤光谱仪相连，所述柔性荧光光纤插入软包电池内部，软包电池通过电极片与电化学工作站相连，在980nm近红外光激发下，所述柔性荧光光纤释放出上转换绿光，在变温时荧光强度比产生特异性变化，可通过参比曲线破译为温度信号，在电池的充放电循环过程中完成对温度的实时、原位监测。

18、与现有技术相比，本发明具有下列优势：

19、1)本发明的上转换发光材料热稳定良好，无环境污染。低能近红外光激发下发射峰强度比对温度有特异性响应，可通过函数拟合。

20、2)本发明的上转换发光材料在变温时可通过荧光强度比测温，相对灵敏度可达1.05％ k-1。

21、3)本发明的制备方法简单、易于操作、设备成本低且无污染，适合普遍推广使用；有望柔性荧光光纤测温领域实现广泛应用。

22、4)本发明的柔性荧光温度传感装置可通过发射上转换绿光的柔性光纤荧光强度比变化实时监控物品温度，并成功应用于软包电池的测温。

23、5)本发明的柔性荧光温度传感装置可实时监控软包电池内部的温度变化，有助于辅助实现软包电池的热管理，避免电池热失控造成损害。

技术特征：

1.一种上转换发光材料，其特征在于，其包含无机化合物的化学式为nala1-x-yti2o6:x％yb3+/y％er3+,其中，0≤x≤10，0≤y≤2。

2.根据权利要求1所述上转换发光材料，其特征在于，所述x为5，y为1。

3.根据权利要求1所述上转换发光材料，其特征在于，所述发光材料在980nm激发下产生明亮的绿色上转换发光，且530和550nm波长发射对应的相邻能级在升温时发生热耦合，其荧光强度比对温度变化显示出特异性响应。

4.一种柔性荧光光纤材料，其特征在于，其包含有机聚合物a和b，其中，a和b为有机硅胶，光学灌封胶，环氧树脂，聚二甲基硅氧烷，聚甲基丙烯酸甲酯的一种或两种,a加入1～5g，b加入量0～5g。

5.权利要求4所述一种柔性荧光光纤材料纤芯的制备方法，其特征在于，光纤纤芯由权利要求1-3任一项所述的上转换发光材料均匀分散于有机硅胶中，注入塑料模板，尾端插入单模石英光纤，加热固化后取出。

6.根据权利要求5所述的柔性荧光光纤材料纤芯的制备方法，其特征在于，所述上转换荧光粉为0.1～1.0g，所用有机硅胶为0.1～1.0ml。

7.根据权利要求5所述的柔性荧光光纤材料纤芯的制备方法，其特征在于，所述固化温度为25～100摄氏度，固化时间为1～7天。

8.一种柔性荧光光纤材料，其特征在于，光纤包层由有机聚合物聚二甲基硅氧烷组成，将权利要求5所述的纤芯浸入聚二甲基硅氧烷，高速离心后加热固化，得到柔性光纤包层。

9.根据权利要求8所述的柔性荧光光纤材料，其特征在于，所述加热固化温度为60～150摄氏度，固化时间为0.5～2小时。

10.一种软包电池实时温度监控装置，其特征在于，包括激发光源通过权利要求8所述的柔性荧光光纤与光纤光谱仪相连，所述柔性荧光光纤插入软包电池内部，软包电池通过电极片与电化学工作站相连，在980nm近红外光激发下，所述柔性荧光光纤释放出上转换绿光，在变温时荧光强度比产生特异性变化，可通过参比曲线破译为温度信号，在电池的充放电循环过程中完成对温度的实时、原位监测。

技术总结本发明公开了一种上转换发光柔性荧光光纤及软包电池实时温度监控装置。该上转换发光材料包含无机化合物，其化学组成式为NaLa<subgt;1‑x‑</subgt;<subgt;y</subgt;Ti<subgt;2</subgt;O<subgt;6</subgt;:x％Yb<supgt;3+</supgt;/y％Er<supgt;3+</supgt;,其中，0≤x≤10，0≤y≤2。本发明的上转换发光材料具有多个发射峰，波长分别约为530，550和660nm，能被低能量近红外光激发，化学稳定性及热稳定性良好。在变温时位于530nm和550nm的发射峰强度比值可对温度变化有特异性响应，具备用于荧光测温的潜力，本发明芯包结构的柔性光纤，插入软包电池中，不会对电池的性能产生影响，且可实现对软包电池内部温度的实时监控。技术研发人员：夏志国,汪玉珍受保护的技术使用者：华南理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13