光纤光栅电化学传感器及超级电容器充电状态在线监测研究

发布时间：2020-06-03 03:51

【摘要】：电化学储能设备(如超级电容器)等被认为是目前储能效率最高、最具发展前景的新型能量存储设备,被广泛应用于清洁电力、电动汽车、移动医疗、便携式电子设备等领域。如何准确监控超级电容器工作状态下的实时储能及健康状态,对于深入理解其工作机制、分析并解决其衰减老化原因具有重要意义,并且也可及时发现储能效率陡降的储能设备,避免续航能力中断带来的重大事故。电化学储能设备现有的测试技术主要包括循环伏安测试、恒流充放电测试等,这些技术均不具备实时在线监测的能力。近些年,科研人员也提出包括透射电镜或冷冻电镜等原位探测技术,但其检测设备体积庞大、价格昂贵,不宜在现场应用。传统地,电化学等离子体共振联用技术基于棱镜型光学结构,由于棱镜的体积庞大而无法实现在狭小空间中的原位测量,限制了该技术在电化学检测方面的实用化发展。基于上述研究背景,本论文开展了如下两部分研究工作内容:(1)提出了高精度等离子体共振倾斜光纤光栅电化学传感方法:我们发展了全新的等离子共振增强型倾斜光纤光栅超高灵敏传感技术,该技术将能量高度密集的等离子体共振场汇聚于头发丝大小的光纤波导上,可实现对储能设备电极表面纳米尺度范围内的自由电子、离子局域密度场的超高精度检测,从而实时、原位检测储能设备的工作状态,实时读取储能设备工作状态下的电流、电势、电容、温度等重要工作参数信息,为使用者提供储能设备全面的健康状态信息。(2)实现了超级电容充电状态的原位、实时检测:我们利用上述等离子体共振倾斜光纤光栅电化学传感器首次实现了对超级电容器的荷电状态原位在线监测,针对电容器实际运用中不同的充放电模式进行了实验验证,并进行了深入分析,证明了该方法的可行性。此外,利用光纤的超长距离传输能力,该技术也可用于大洋潮汐、海洋风电、沙漠太阳能等超远距离、超大范围的远程遥测领域,为全球新能源的开发利用提供重要手段。
【图文】：

示意图,倾斜光纤光栅,布拉格光纤光栅,长周期光纤光栅

(a)布拉格光纤光栅示意图；(b)长周期光纤光栅示意图；(c)倾斜光纤光栅示意图

扫描电镜图像,镀金膜,放大倍率,光纤

影响到 SPR 的激发效率，经过实验验证发现，采用 50 nm 厚度的金薄膜能够使光栅光谱的共振吸收峰最窄，即 SPR 共振效果最好，，所以本文中的实验均镀制 50 nm 厚度的金薄膜来制作EC-SPR光纤光栅传感器。图2.6为镀制了金薄膜的光纤的扫描电镜图像。图 2.5 光纤材料金属涂层成膜系统50 μm 500 nm(a) (b)图 2.6 不同放大倍率的镀金膜光纤扫描电镜图像2.5 EC-SPR倾斜光纤光栅光谱特征本文中的实验用来接收并解调光学信号的仪器设备是光纤光谱仪（型号是AQ6370D），其最小的波长分辨率可以达到 0.02 nm。如图 2.6 所示是镀制了 50 nm 金薄膜的倾斜光纤光栅浸入水中（折射率约 1.3325）的经过作差校准的透射光谱。从图中我们可以在 P 态下看到大约在 1490 nm 附近处与包层模式重叠的地方出现了一个较窄
【学位授予单位】：暨南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212;TM53

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