暨南大学融媒体中心讯 7月2日，暨南大学物理与光电工程学院（理工学院）与武汉大学合作团队在国际著名学术期刊Light: Science & Applications上发表了题为“Operando tracking ofion kinetics and state-of-charge via multiresonant fiber-optic grating sensors in sodium-ion batteries”的最新研究成果。暨南大学韩喜乐博士、黎晋良副研究员、硕士研究生吴稳为论文共同第一作者，暨南大学郭团研究员与麦文杰教授、武汉大学方永进教授为共同通讯作者。该工作由暨南大学、武汉大学、中国南方电网有限责任公司储能科研院及加拿大国家研究科学院联合完成。

钠离子电池凭借成本效益与可观的能量密度，正成为大规模储能领域的有力竞争者。然而，其商业化进程的关键瓶颈，在于对电极-电解液界面处钠离子嵌入/脱出动态过程的深刻理解尚不完善。目前，表征电极附近离子迁移的手段，主要依赖离线拆卸或同步辐射等大型复杂设备，难以捕捉实际工况下的瞬态变化；传统电化学检测方式受限于信号本身的间接性和非原位性。与此同时，SoC的精准估算始终是电池管理领域的核心关切——传统电压法在高、低SoC区域极易遭遇平台区非线性困扰，且易受温度漂移与电池老化的干扰，导致估算误差被不断放大。因此，业界亟需一种能够直抵电极表面纳米尺度、从物理本质上实时解析离子行为并同步实现高精度SoC监测的革命性传感手段。

该项研究的核心突破，在于开发了一款可原位植入钠离子电池电极表面的紧凑型光纤电化学传感器。该传感器基于单根多谐振光纤光栅（MFG），通过精细的衍射设计将光耦合至包层模式，进而在光纤外部产生亚微米级的“倏逝场”，并形成窄带光谱共振（图1）。这些共振谱线对电极-电解液界面处因离子传输与局部浓度波动引起的微小折射率变化（低至10⁻⁶ RIU级别）极度敏感，且响应速度达亚秒级，空间分辨率达亚微米级，为捕捉界面瞬态动力学提供了前所未有的时空分辨能力。

图1 钠离子电池界面离子动力学光纤传感概念

借助这把“利器”，团队首次解码了钠离子在电极界面的完整动态旅程，成功捕捉到一个隐匿于“吸附”与“扩散”之间的关键“中间态传输阶段”（图2）。研究发现该中间阶段的持续时长与电极的快充性能呈明显负相关——中间态“停留”越短，电池的快速充电能力越强。通过对共振峰振幅的时间导数进行实时追踪，团队进一步绘制出不同充放电阶段下的离子传输速率演化图谱，为评估电极材料的动态特性提供了全新维度。

图2 光信号解码电池界面离子嵌入动态过程

图3 基于离子通量的光学实时积分计算SoC定量方法（精度优于98%）

此外，在SoC估算方面，该研究打破了传统电学测量的思维定式，建立起一种基于离子通量的光学实时积分计算SoC定量方法。由于共振振幅变化直接对应界面离子浓度变化，团队巧妙地对折射率引发的振幅漂移进行时间积分，发现了积分光强与电池SoC之间的高度线性关系（图3）。这一发现意味着，电池SoC估算有望从复杂的经验模型拟合，简化为基于物理本质的直接光学读数，为未来商业电池管理系统引入实时光子监测模块奠定了坚实根基。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-026-02388-1

责编：苏倩怡