Ett fiberoptiskt avkänningssystem utvecklat av forskare i Kina och Kanada kan titta inuti superkondensatorer och batterier för att observera deras laddningstillstånd.

Förnybara energikällor är naturligtvis inkonsekventa, och kräver därför ny energilagringsteknik. Superkondensatorer erbjuder snabb laddning och långtidslagring, men det är viktigt att kunna övervaka deras arbetstillstånd. För att ta itu med denna fråga, ett team inklusive Tuan Guo och Wenjie Mai vid Jinan University anpassade ett tillvägagångssätt baserat på en optisk fiberbaserad plasmonisk sensor. Sensorn är inbäddad i kondensatorn och kan mäta laddningstillståndet för elektroderna och elektrolyterna i realtid, under drift, och under dess livstid. Sensorn visar en tydlig och repeterbar hög korrelation mellan mätningar av fiberenhetens optiska överföring och samtidig superkondensators laddningstillstånd, erbjuder en unik, lågkostnadsmetod för realtidsövervakning av energilagringsenheter i drift.

Detta resultat har publicerats i Ljus:Vetenskap och tillämpningar (11 juli, 2018), med manuskripttiteln "In Situ Plasmonic Optical Fiber Detection of the State of Charge of Supercapacitors for Renewable Energy Storage."

Elektrokemiska energilagringsenheter (som superkondensatorer) anses vara nästa generations energilagringsenheter med den högsta energilagringseffektiviteten och mycket lovande framtidsutsikter. De används ofta i ren elkraft, elektriska fordon, mobil medicinsk, bärbara elektroniska apparater och andra områden. In situ och kontinuerlig övervakning är en nyckelmetod för att förstå och utvärdera deras prestanda och driftkvalitet. Dock, Föreliggande metoder kan inte erbjuda information om laddningstillstånd i realtid när energilagringsanordningarna är i drift. De måste ta superkondensatorerna offline (och därmed avbryta deras funktion) och utföra elektriska mätningar, och i vissa fall, öppna upp superkondensatorerna för att undersöka deras komponenter med elektronmikroskopi.

För att möta denna grundläggande utmaning, Prof. Guo och Prof. Mai och deras kollega utvecklade optiska fiberenheter som är tillräckligt små för att kunna sättas in nära ytan på kondensatorelektroderna. Baserat på fibrer av telekommunikationskvalitet, de kan lämnas där och övervakas på distans när som helst och från vilket avstånd som helst. En annan viktig aspekt av deras tillvägagångssätt är att i motsats till nuvarande tekniker som bygger på en indirekt uppskattning av laddningstillståndet från ström-/spänningstester, de optiska fiberenheterna upptäcker mängden laddning som ackumulerats i ett lager av submikrometerstorlek på elektroderna och den intilliggande elektrolyten direkt genom dess inverkan på de plasmoniska egenskaperna hos en guldbeläggning i nanometerskala som appliceras på fiberytan.

Den visade en tydlig och repeterbar hög korrelation mellan mätningar av den optiska transmissionen av fiberanordningen och samtidiga elektriska valideringsmätningar. Denna nya teknik kommer att få viktiga konsekvenser för energileverantörer som förlitar sig på förnybara energikällor från solen, vind- och vattenkraft för åtminstone en del av deras elnätsbehov. Den huvudsakliga implikationen är att felaktiga eller försämrade kondensatorer kommer att identifieras innan katastrofala fel kan inträffa, och att inget avbrott i kraftsystem kommer att krävas för att testa dem.