CN108199090A - 锂电池电芯涂层测温传感器及制造工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂电池电芯涂层测温传感器及制造工艺方法，包括第一绝缘层、第二绝缘层、薄膜热敏电阻层、电极引脚，所述第一绝缘层覆盖于锂电池电芯的表面，所述薄膜热敏电阻层覆盖于第一绝缘层的表面，所述第二绝缘层覆盖于薄膜热敏电阻层的表面，所述薄膜热敏电阻层的材料为PTC或NTC，所述薄膜热敏电阻层引出电极引脚。本发明使用涂层制造工艺，在电芯或电池组散热板上制作了薄膜型热敏电阻传感器，同时使用了绝缘层避免了传感器与电芯间的导电风险；传感器覆盖或贴合电芯表面，解决了传感器在电池内部占用空间的问题；传感器使用双引脚或多引脚，可以监测整个电芯温度变化或电芯局部区域的温度变化。

Description

锂电池电芯涂层测温传感器及制造工艺方法

技术领域

本发明涉及一种测温传感器，尤其涉及一种锂电池电芯涂层测温传感器及制造工艺方法，属于传感器技术领域。

背景技术

目前锂电池已经被广泛的应用，特别是锂离子电池由于具有高能量密度和较高的循环使用寿命等优越性，逐渐被用作各种移动电池、储能电池和动力电源，是最具有发展潜力和竞争力的电池种类之一。由于大单体锂离子电池都存在机械强度差、一致性差、存在安全隐患等问题，在锂离子电池的使用过程中往往将小单体电池作为“电芯”，串、并联后组成电池组使用。

但是，由于锂离子电芯的充电效率不能达到100％，充电过程中，部分未被用于活性物质转化的电能转化为热能，同时电芯工作时，内部产热不均匀，有的部位温升较快，热量如果不能及时散发，会造成局部温度过高。如果长时间维持上述状态，电芯温度高的地方，充放电循环性能变差，将会导致整个电芯的电性能失效，甚至会产生热失控而引发火灾。因此检测电池内部单个电芯温度的变化对安全使用电池尤为重要。现有技术的电池电芯和用于测温的热敏电阻被单独制作，再将制造和封装好的PTC或NTC热敏电阻作为电池组内的温度传感器，但该类传感器形态主要是贴片或颗粒形式，这种形态造成这种类型的传感器测温面积小，只能对电池进行单点温度测量，实现较大面积的温度测量存在困难。如图1所示，图中10为单个电池电芯，如图2所示，图中11为置于电池壳体外部的表面测温电阻，如图3所示，图中12为由电池壳体外部伸入到电池内部的测温柱。如果将现有形式的PTC、NTC热敏电阻用于电池组内部，测量多个电芯的温度，就需要在每个电芯处布置温度传感器，这样不仅会增加电池组的体积，降低电池的能量密度，同时存在如何固定传感器和接线的技术难题。因此，现有技术的PTC或NTC热敏电阻针对电池温度的检测，只能获得电池表面或者电池壳体内单个点的温度值。如果某个电芯的单个点上出现较大温升，温度的变化不能很快的被电池表面或检测点上的测温电阻检测到，会造成电池实际工作温度和监测数值出现偏差，如果电池温度上升迅速，就可能发生发热甚至燃烧的危险；同时由于现有传感器封装形态的限制，若将较多传感器布置在电池组内部，会造成电池组的体积增加、能量密度下降。因此，如果能完成电芯壳体和传感器的集成制造，缩小传感器体积，在多个或所有电芯表面布置测温元件，而不减小电池组的能量密度，实现全面监控电芯的各部位温度变化的功能，对于电池的安全使用以及提高电池的使用寿命具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂电池电芯涂层测温传感器及制造工艺方法，解决温度传感器与电芯壳体的集成制造问题，解决电池内部温度传感器体积较大占用电池内部空间降低能量密度的问题，解决电芯表面使用单个温度传感器进行分区域测量，不能全面反映电芯整体温度的问题，从而增加锂离子电池的使用寿命、提高使用安全性和可靠性。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种锂电池电芯涂层测温传感器，包括第一绝缘层1、第二绝缘层2、薄膜热敏电阻层3、电极引脚4，所述第一绝缘层1覆盖于锂电池电芯5的表面，所述薄膜热敏电阻层3覆盖于第一绝缘层1的表面，所述第二绝缘层2覆盖于薄膜热敏电阻层3的表面，所述薄膜热敏电阻层3的材料为PTC或NTC，所述薄膜热敏电阻层3引出电极引脚4。

本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：

前述锂电池电芯涂层测温传感器，其中第一绝缘层1、第二绝缘层2为氧化铝涂层。

前述锂电池电芯涂层测温传感器，其中第一绝缘层1、第二绝缘层2为聚四氟乙烯涂层。

前述锂电池电芯涂层测温传感器，其中薄膜热敏电阻层3作为一个测温单元，在薄膜热敏电阻层3的两端分别引出一个电极引脚4。

前述锂电池电芯涂层测温传感器，其中薄膜热敏电阻层3划分为多个测温单元，在薄膜热敏电阻层3的每个测温单元的两端分别引出一个电极引脚4。

前述锂电池电芯涂层测温传感器的制造工艺方法，包括以下步骤：

1)将锂电池电芯的铝壳体外表面清洗烘干后，使用20目刚玉砂粒喷砂处理，获得粗糙表面，便于提高绝缘层与铝壳体的结合力；

2)使用等离子喷涂工艺喷涂氧化铝绝缘涂层，即第一绝缘层1：

使用粒度为5.5-30μm的高纯度氧化铝粉末，将氧化铝粉末放在150℃的烘干箱中烘干2小时；再将氧化铝粉末装入等离子喷涂设备的送粉器中，送粉器的转速调整为每分钟55转；等离子喷涂过程使用氩气作为主气，主气流量为每分钟60L；使用氢气作为次气，次气流量跟随电压；载气使用压缩空气，载气流量为每分钟3.5L；电流设置为600A，电压设置为70V；喷涂距离选择为120mm，喷枪速度设置为每秒2mm，喷涂厚度为0.1mm；

3)使用等离子喷涂工艺在氧化铝绝缘层上喷涂薄膜热敏电阻层：

热敏电阻粉末使用粒度为20-45μm的高纯度Ni-Cr合金粉末，将热敏电阻粉末放在150℃的烘干箱中烘干2小时；再将热敏电阻粉末装入等离子喷涂设备的送粉器中，送粉器的转速调整为每分钟50转；等离子喷涂过程使用氩气作为主气，主气流量为每分钟65L，使用氢气作为次气，次气流量跟随电压，载气使用压缩空气，载气流量为每分钟4L；电流设置为650A，电压设置为65V；喷涂距离选择为110mm，喷枪速度设置为每秒3mm，喷涂厚度为0.05mm；

4)薄膜热敏电阻层喷涂完成后，在薄膜热敏电阻层的两端焊接电路连接用的电极引脚4；

5)电极引脚4焊接后使用等离子喷涂工艺喷涂第二层氧化铝绝缘层，即第二绝缘层2。

前述锂电池电芯涂层测温传感器的制造工艺方法，包括以下步骤：

1)在锂电池电芯的散热铝板表面制备高分子材料绝缘层，即第一绝缘层1：

使用冷喷涂工艺在散热铝板表面喷涂聚四氟乙烯涂层，然后在固化炉中固化；

2)使用物理气相沉积技术在高分子材料绝缘层表面制备一层稀土材料掺杂的BaTiO3陶瓷PTC电阻层；

3)制备第二层高分子材料绝缘层，即第二绝缘层2；在第二绝缘层2上留两个窗口，用于焊接电极引脚4。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明使用涂层制造工艺，在电芯或电池组散热板上制作了薄膜型热敏电阻传感器，同时使用了绝缘层避免了传感器与电芯间的导电风险；传感器覆盖或贴合电芯表面，解决了传感器在电池内部占用空间的问题；传感器使用双引脚或多引脚，可以监测整个电芯温度变化或电芯局部区域的温度变化。

附图说明

图1是电池电芯结构图；

图2是现有技术电池壳体外部测温电阻图；

图3是现有技术电池内部测温柱结构图；

图4是本发明锂电池电芯涂层测温传感器分层结构示意图；

图5是本发明锂电池电芯涂层测温传感器封装完成结构图；

图6是本发明锂电池电芯涂层测温传感器热敏电阻层分割成条带状示意图；

图7是本发明锂电池电芯涂层测温传感器双电极引脚示意图；

图8是本发明锂电池电芯涂层测温传感器多电极引脚示意图；

图9是103450矩形锂电池结构示意图；

图10是21700圆柱型锂电池结构示意图；

图11是电池组散热板结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种锂电池电芯涂层测温传感器，这种传感器的热敏电阻层可以通过但不限于物理气相沉积、化学气相沉积、电沉积、真空镀、热喷涂、涂覆烧结、激光熔覆等薄膜涂层制备工艺制造于电芯或热交换器表面，热敏电阻层的材料可以是PTC或NTC材料类型。同时，这种传感器也可以理解为一种可测温的电芯壳体或热交换器的表层结构，与电芯直接接触并与电芯绝缘，实现对电芯的温度监测。旨在做到对电池组内部整个电芯表面或局部温度的测量，且不会降低电池的能量密度，以增加锂离子电池的使用寿命、提高使用安全性和可靠性。

为实现上述目的，本发明提出了一种可监控电芯表面温度的带状薄膜热敏电阻测温层，包括这种测温层在电芯或热交换器上的集成制造工艺，以及测温层内部输出的双引脚或多引脚方式。

该薄膜热敏电阻测温层被制备在电芯表面，形状跟随电芯外壳的形貌变化，为三层结构，上下两层绝缘层，绝缘层防止热敏电阻与电芯或热交换器间的导电可能性，可以由各种绝缘材料制成，包括陶瓷、塑料、橡胶等。中间为条带状薄膜热敏电阻测温层，薄膜热敏电阻测温层为了可以在电芯表面延伸，电阻层制成后可不加工，也可由激光烧蚀或精细雕刻等工艺修型得到。

电阻层和绝缘层的厚度较薄，在0.01-2mm之间，被制备在电芯表面。电阻层被加工成条带状电阻条或在加工成薄层后再分割为条带状，条带间有间隙，条带上可以制成双引脚，使用整条电阻对覆盖区域测温；或者，使用多引脚将热敏电阻分割成多段使用，每段电阻可以单独作为一个测温单元，对电芯的每一部位进行分区域测温。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图4所示，锂电池电芯涂层测温传感器包括第一绝缘层1、第二绝缘层2、薄膜热敏电阻层3、电极引脚4，所述第一绝缘层1覆盖于锂电池电芯5的表面，所述薄膜热敏电阻层3覆盖于第一绝缘层1的表面，所述第二绝缘层2覆盖于薄膜热敏电阻层3的表面，所述薄膜热敏电阻层3的材料为PTC或NTC，所述薄膜热敏电阻层3引出电极引脚4。如图5是本发明锂电池电芯涂层测温传感器封装完成结构图。如图6所示，是热敏电阻层分割成条带状示意图。

前述锂电池电芯涂层测温传感器，其中第一绝缘层1、第二绝缘层2可使用氧化铝涂层或聚四氟乙烯涂层。

如图7所示，锂电池电芯涂层测温传感器的薄膜热敏电阻层3可以作为一个测温单元，在薄膜热敏电阻层3的两端分别引出一个电极引脚4，对该薄膜热敏电阻层覆盖的整个区域进行测温。

如图8所示，锂电池电芯涂层测温传感器薄膜热敏电阻层3还可以划分为多个测温单元，在薄膜热敏电阻层3的每个测温单元的两端分别引出一个电极引脚4，对该薄膜热敏电阻层覆盖的范围进行分区域测温。

本发明在103450矩形锂电池(如图9所示)和21700圆柱型锂电池(如图10所示)表面制备测温层的具体制造工艺方法，包括以下步骤：

1)将锂电池电芯的铝壳体外表面清洗烘干后，使用20目刚玉砂粒喷砂处理，获得粗糙表面，便于提高绝缘层与铝壳体的结合力；

2)使用等离子喷涂工艺喷涂氧化铝绝缘涂层，即第一绝缘层1：

使用粒度为5.5-30μm的高纯度氧化铝粉末，将氧化铝粉末放在150℃的烘干箱中烘干2小时；再将氧化铝粉末装入等离子喷涂设备的送粉器中，送粉器的转速调整为每分钟55转；等离子喷涂过程使用氩气作为主气，主气流量为每分钟60L；使用氢气作为次气，次气流量跟随电压；载气使用压缩空气，载气流量为每分钟3.5L；电流设置为600A，电压设置为70V；喷涂距离选择为120mm，喷枪速度设置为每秒2mm，喷涂厚度为0.1mm；

3)使用等离子喷涂工艺在氧化铝绝缘层上喷涂薄膜热敏电阻层：

热敏电阻粉末使用粒度为20-45μm的高纯度Ni-Cr合金粉末，将热敏电阻粉末放在150℃的烘干箱中烘干2小时；再将热敏电阻粉末装入等离子喷涂设备的送粉器中，送粉器的转速调整为每分钟50转；等离子喷涂过程使用氩气作为主气，主气流量为每分钟65L，使用氢气作为次气，次气流量跟随电压，载气使用压缩空气，载气流量为每分钟4L；电流设置为650A，电压设置为65V；喷涂距离选择为110mm，喷枪速度设置为每秒3mm，喷涂厚度为0.05mm；

4)薄膜热敏电阻层喷涂完成后，在薄膜热敏电阻层的两端焊接电路连接用的电极引脚4；

5)电极引脚4焊接后使用等离子喷涂工艺喷涂第二层氧化铝绝缘层，即第二绝缘层2。

本发明在电池组散热板(如图11所示)表面制备测温电阻层的制造工艺方法，包括以下步骤：

1)在锂电池电芯的散热铝板表面制备高分子材料绝缘层，即第一绝缘层1：

使用冷喷涂工艺在散热铝板表面喷涂聚四氟乙烯涂层，然后在固化炉中固化；

2)使用物理气相沉积技术在高分子材料绝缘层表面制备一层稀土材料掺杂的BaTiO3陶瓷PTC电阻层；

3)制备第二层高分子材料绝缘层，即第二绝缘层2；在第二绝缘层2上留两个窗口，用于焊接电极引脚4。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种锂电池电芯涂层测温传感器，其特征在于，包括第一绝缘层、第二绝缘层、薄膜热敏电阻层、电极引脚，所述第一绝缘层覆盖于锂电池电芯的表面，所述薄膜热敏电阻层覆盖于第一绝缘层的表面，所述第二绝缘层覆盖于薄膜热敏电阻层的表面，所述薄膜热敏电阻层的材料为PTC或NTC，所述薄膜热敏电阻层引出电极引脚。

2.如权利要求1所述的锂电池电芯涂层测温传感器，其特征在于，所述第一绝缘层、第二绝缘层为氧化铝涂层。

3.如权利要求1所述的锂电池电芯涂层测温传感器，其特征在于，所述第一绝缘层、第二绝缘层为聚四氟乙烯涂层。

4.如权利要求1所述的锂电池电芯涂层测温传感器，其特征在于，所述薄膜热敏电阻层作为一个测温单元，在薄膜热敏电阻层的两端分别引出一个电极引脚。

5.如权利要求1所述的锂电池电芯涂层测温传感器，其特征在于，所述薄膜热敏电阻层划分为多个测温单元，在薄膜热敏电阻层的每个测温单元的两端分别引出一个电极引脚。

6.如权利要求2所述的锂电池电芯涂层测温传感器的制造工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将锂电池电芯的铝壳体外表面清洗烘干后，使用20目刚玉砂粒喷砂处理，获得粗糙表面，便于提高绝缘层与铝壳体的结合力；

2)使用等离子喷涂工艺喷涂氧化铝绝缘涂层，即第一绝缘层：

使用粒度为5.5-30μm的高纯度氧化铝粉末，将氧化铝粉末放在150℃的烘干箱中烘干2小时；再将氧化铝粉末装入等离子喷涂设备的送粉器中，送粉器的转速调整为每分钟55转；等离子喷涂过程使用氩气作为主气，主气流量为每分钟60L；使用氢气作为次气，次气流量跟随电压；载气使用压缩空气，载气流量为每分钟3.5L；电流设置为600A，电压设置为70V；喷涂距离选择为120mm，喷枪速度设置为每秒2mm，喷涂厚度为0.1mm；

3)使用等离子喷涂工艺在氧化铝绝缘层上喷涂薄膜热敏电阻层：

热敏电阻粉末使用粒度为20-45μm的高纯度Ni-Cr合金粉末，将热敏电阻粉末放在150℃的烘干箱中烘干2小时；再将热敏电阻粉末装入等离子喷涂设备的送粉器中，送粉器的转速调整为每分钟50转；等离子喷涂过程使用氩气作为主气，主气流量为每分钟65L，使用氢气作为次气，次气流量跟随电压，载气使用压缩空气，载气流量为每分钟4L；电流设置为650A，电压设置为65V；喷涂距离选择为110mm，喷枪速度设置为每秒3mm，喷涂厚度为0.05mm；

4)薄膜热敏电阻层喷涂完成后，在薄膜热敏电阻层的两端焊接电路连接用的电极引脚；

5)电极引脚焊接后使用等离子喷涂工艺喷涂第二层氧化铝绝缘层，即第二绝缘层。

7.如权利要求3所述的锂电池电芯涂层测温传感器的制造工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在锂电池电芯的散热铝板表面制备高分子材料绝缘层，即第一绝缘层：

使用冷喷涂工艺在散热铝板表面喷涂聚四氟乙烯涂层，然后在固化炉中固化；

2)使用物理气相沉积技术在高分子材料绝缘层表面制备一层稀土材料掺杂的BaTiO3陶瓷PTC电阻层；

3)制备第二层高分子材料绝缘层，即第二绝缘层；在第二绝缘层上留两个窗口，用于焊接电极引脚。