Development of a fiber bragg grating methodology for monitoring chemo-mechanical behavior in lithium-ion coin cells

Electrification targets hinge on sustainable batteries that couple high energy density with proven durability. Real-time, non-intrusive monitoring of internal strain and heat is therefore strategic for both product qualification and advanced Battery Management System (BMS) algorithms. This work develops and validates a surface-mounted Fiber Bragg Grating (FBG) framework for operando monitoring of strain and temperature in lithium-ion coin cells. The methodology is benchmarked on two chosen chemistries with contrasting volume signatures. A low-strain NMC-LTO couple sets the detection floor, confirming strain signals below the methodology’s sensitivity limits while clearly capturing distinct thermal signatures at cycling rates up to 2C. Conversely, the high-strain LFP-Al system verifies the sensor’s dynamic range, revealing a reproducible aluminum strain signature that closely mirrors electrochemical states, elucidates volume-driven mechanical degradation, and identifies the onset of damage. Additionally, this study explores alternative interferometric fiber sensors, outlining their potential advantages, such as enhanced sensitivity and temperature-strain discrimination, while acknowledging their current technological complexity and fragility compared to FBG sensors. Practical limitations of the developed FBG methodology, including challenges related to repeatability of sensor fixation and accurate temperature and strain calibration, are also discussed, providing guidance for future refinements.

Gli obiettivi di elettrificazione si basano su batterie sostenibili che uniscano un'elevata densità energetica a una durabilità comprovata. Il monitoraggio in tempo reale e non intrusivo della deformazione e del calore interni è quindi strategico sia per la qualificazione del prodotto sia per gli algoritmi avanzati dei sistemi di Battery Management Systems (BMS). Questo lavoro sviluppa e convalida una metodologia basata su sensori Fiber Bragg Grating (FBG) fissati esternamente su batterie a bottone agli ioni di litio per il monitoraggio operando della deformazione e della temperatura. La metodologia viene testata su due chimiche selezionate con profili di espansione volumetrica contrastanti. Una coppia a bassa deformazione NMC-LTO definisce la soglia di rilevamento, confermando che i segnali di deformazione sono al di sotto dei limiti di sensibilità della metodologia, mentre cattura chiaramente le diverse firme termiche a velocità di ciclo fino a 2C. Al contrario, il sistema ad alta deformazione LFP-Al verifica il campo dinamico del sensore, rivelando una firma di deformazione riproducibile dell'alluminio che rispecchia fedelmente gli stati elettrochimici, chiarisce i meccanismi di degrado meccanico indotto da variazioni volumetriche e identifica l'insorgenza del danneggiamento. Inoltre, questo studio esplora sensori interferometrici in fibra ottica alternativi, delineandone i potenziali vantaggi, come una maggiore sensibilità e la discriminazione tra temperatura e deformazione, pur riconoscendone l'attuale complessità tecnologica e fragilità rispetto ai sensori FBG. Vengono inoltre discussi i limiti pratici della metodologia FBG sviluppata, incluse le sfide legate alla ripetibilità del fissaggio del sensore e all'accurata calibrazione della temperatura e della deformazione, fornendo linee guida per futuri perfezionamenti.