Electric vehicles (EVs) have gained significant traction in recent years as a greener alternative to traditional gasoline-powered cars. This shift towards electric transportation is driven not only by the urgent need to reduce carbon emissions and combat air pollution but also by advancements in battery technologies and manufacturing processes that have made EVs more affordable and reliable.
At the heart of this transportation revolution is the lithium-ion battery, a groundbreaking invention that emerged from years of research by scientists such as Nobel laureates Stanley Whittingham, John Goodenough, and Akira Yoshino. These scientists paved the way for the development of modern lithium-ion batteries, which have played a crucial role in the growth of the EV industry.
The global production capacity of commercial lithium-ion batteries has increased significantly, thanks in part to the growing demand for EVs. In fact, according to the International Energy Agency, annual production has risen from less than 50 GWh in 2016 to over 500 GWh in 2022. This production capacity is expected to continue growing, with experts predicting it could reach a staggering 4700 GWh by 2030.
To further enhance the performance and longevity of lithium-ion batteries, scientists and engineers are in need of more advanced diagnostic techniques. Current battery management systems in EVs only provide basic information such as voltage, current, and impedance at a module level, rather than for individual cells within the battery pack. This lack of diagnostic data limits the full potential of these batteries and makes it difficult to establish appropriate safety measures.
To address this challenge, researchers are turning to optical fiber sensors. These sensors offer numerous advantages, including their ability to operate in harsh environments, immunity to electromagnetic interference, and ease of integration. Optical fiber sensors can provide high spatial and temporal resolution, enabling scientists to gather valuable information about the physical and chemical properties of batteries.
By utilizing different types of optical sensors, such as distributed fiber sensing and fiber Bragg gratings, researchers can measure parameters such as temperature, strain, and refractive index changes in the battery. This helps them monitor crucial aspects like heat generation, thermal management, and mechanical strain within the battery cells.
These advancements in diagnostic techniques pave the way for improved battery design, performance, and cost-effectiveness in the future. By gaining a deeper understanding of the internal dynamics of lithium-ion batteries, scientists and engineers can unlock their full potential and accelerate the transition towards a cleaner and more sustainable transportation system.
전기 자동차(EVs)는 기존의 가솔린 자동차에 대한 친환경적인 대안으로서 최근 명확한 인기를 얻고 있습니다. 이러한 전기 교통 수단으로의 전환은 탄소 배출량과 대기 오염을 줄이는 긴요한 필요성 뿐만 아니라, 전기차의 비용 효율성과 신뢰성을 높여준 배터리 기술과 제조 기술의 발전으로 이루어지고 있습니다.
이 교통 혁명의 핵심에는 리튬이온 배터리가 있습니다. 이 배터리는 Stanley Whittingham, John Goodenough, Akira Yoshino 등의 노벨상 수상자들과 같은 과학자들의 연구를 통해 등장한 획기적인 발명품입니다. 이러한 과학자들은 현대 리튬이온 배터리의 발전에 길을 열었으며, 이 배터리는 전기차 산업의 성장에서 핵심적인 역할을 해왔습니다.
EV의 수요 증가로 인해 상용 리튬이온 배터리의 생산 능력은 상당히 증가하였습니다. 실제로 국제 에너지 기획사는 연간 생산량이 2016년의 50 GWh 미만에서 2022년에는 500 GWh 이상으로 증가한 것으로 나타났습니다. 이러한 생산 능력은 앞으로도 계속 증가할 것으로 예상되며, 전문가들은 2030년까지 4700 GWh에 이를 정도까지 증가할 것으로 예측하고 있습니다.
리튬이온 배터리의 성능과 수명을 더욱 향상시키기 위해 과학자들과 엔지니어들은 더욱 고급진 진단 기술에 대한 필요성을 느끼고 있습니다. 현재 EV의 배터리 관리 시스템은 모듈 레벨에서 발생하는 전압, 전류 및 임피던스와 같은 기본적인 정보만 제공하고 있으며, 배터리 팩 내 개별 셀에 대한 정보는 제공하지 않습니다. 이러한 진단 데이터의 부재는 이러한 배터리의 전체적인 잠재력을 제한하고 적절한 안전 조치를 수립하기 어렵게 만드는 것입니다.
이러한 도전에 대응하기 위해 연구자들은 광섬유 센서에 주목하고 있습니다. 광섬유 센서는 가혹한 환경에서 작동할 수 있는 능력, 전자기 잡음에 대한 면역성 및 통합 용이성과 같은 여러 이점을 제공합니다. 광섬유 센서는 고해상도의 공간적 및 시간적 분해능을 제공하여 과학자들이 배터리의 물리적 및 화학적 특성에 대한 소중한 정보를 수집할 수 있게 해줍니다.
분산 광섬유 센싱과 광 선겹 레퍼 인쇄와 같은 다양한 유형의 광섬유 센서를 활용함으로써 연구자들은 배터리 내의 온도, 응력 및 굴절률 변화와 같은 매개 변수를 측정할 수 있습니다. 이를 통해 열 발생, 열 관리 및 배터리 셀 내의 기계적 응력과 같은 중요한 측면을 모니터링할 수 있습니다.
진단 기술의 이러한 발전은 앞으로의 배터리 설계, 성능 및 비용 효율성 향상을 위한 길을 열어줍니다. 리튬이온 배터리의 내부 역학에 대한 깊은 이해를 얻음으로써 과학자들과 엔지니어들은 이러한 배터리의 전체적인 잠재력을 활용하고 더욱 청정하고 지속 가능한 교통 체계로의 전환을 가속화할 수 있습니다.