CN113097590B - 一种具有温度传感功能的锂电池集流体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有温度传感功能的锂电池集流体及其制备方法，属于锂电池技术领域。本发明锂电池集流体通过以集流体的金属箔片为基础，在其表面直接集成温度传感单元，能够确保温度传感单元与金属箔片界面的强黏附力，且温度传感单元具有尺寸小、厚度薄的特点能够最大程度降低对电池性能的影响；此外，温度传感单元的制备材料具有柔性，使得传感器在电池制备过程中涂覆、卷绕等工艺过程中不被破坏，从而实现对不同工况下的电池内部温度变化的实时监测。

Description

一种具有温度传感功能的锂电池集流体及其制备方法
技术领域
本发明属于锂电池集流体制备技术领域，具体涉及一种具有温度传感功能的锂电池集流体及其制备方法。
背景技术
近年，锂电池作为一种清洁能源的载体，因其高能量密度、优异的循环性能、低自放电率、清洁无污染等优点而被广泛应用于电动汽车领域。然而，锂离子电池的高能量密度，使其在过充过放、机械力滥用、内部缺陷及低温工作环境等情况下会引起电池内部温度陡升。高温会造成电池膨胀、电解液分解和集流体分解等问题，从而引发车载动力电池自燃或爆炸等严重安全事故。目前，车载动力电池的热管理主要通过监测电池表面温度实现，然而电池表面温度变化相较于内部温度变化存在45～90秒的滞后，即监测电池表面温度不足以保障电池安全性。因此，需要发展一种针对锂离子电池内部的温度监测的手段。
针对目前现有的锂离子电池内部温度监测手段主要是将热电偶、热电阻以及接触式光纤型温度传感器埋入锂离子电池内部，而后通过温度传感元件的温度特性来获取电池内部的温度变化信息。但其最大的缺点，一是普遍将制备好的温度传感器通过粘接、压接等方式与制备好的锂电池电极整合，但这种制备工艺复杂、界面处黏附力不足，在高温及外力作用等工况条件下传感器易与金属箔片分离，导致温度传感器的监测可靠性降低；二是采用的温度传感器多为刚性元器件，不适用于通过卷绕方式制备的锂离子电池；三是温度传感器内置在集流体表面，传感器特征尺寸会影响锂离子在充放电过程中的脱嵌，降低锂离子电池的容量以及充放电的效率。
综上所述，如何在不降低电池性能的同时实现对锂电池内部温度的实时获取，从而实现对电池内部温度变化的监测，进而提高电池寿命以及保障电池在不同工况下的安全稳定运行就成为重点研究的问题。
发明内容
针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有温度传感功能的锂电池集流体及其制备方法。本发明锂电池集流体通过以集流体的金属箔片为基础，在其表面直接集成温度传感单元，能够确保温度传感单元与金属箔片界面的强黏附力，且温度传感单元具有尺寸小、厚度薄的特点能够最大程度降低对电池性能的影响；此外，温度传感单元的制备材料具有柔性，使得传感器在电池制备过程中涂覆、卷绕等工艺过程中不被破坏，从而实现对不同工况下的电池内部温度变化的实时监测。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种具有温度传感功能的锂电池集流体，包括金属箔片(1)、若干个温度传感单元和活性材料层(6)，所述温度传感单元包括柔性绝缘层(2)、温度敏感功能层(3)、电阻引线(4)和柔性封装层(5)；其中，柔性绝缘层(2)设置于金属箔片(1)上，温度敏感功能层(3)设置于柔性绝缘层(2)和柔性封装层(5)之间，活性材料层(6)设置于柔性封装层(5)上方，所述电阻引线(4)与温度敏感功能层(3)连接，用于输出电信号。
进一步地，所述柔性绝缘层(2)与金属箔片(1)的面积比为不超过1：28000，金属箔片(1)和柔性绝缘层(2)的厚度比为(0.5～2):1；柔性封装层(5)与活性材料(6)的面积比为不超过1：28000。
进一步地，所述温度传感单元的厚度与集流体的厚度比为1：(1.4～3)，确保温度传感单元厚度不会超过活性材料原有厚度，由此造成电池隔膜破损以及电池失效及热量集中等问题，所述集流体厚度具体指金属箔片及活性材料的厚度之和。
进一步地，所述温度传感单元的厚度小于40μm。
进一步地，所述温度敏感功能层(3)厚度为3-5μm；柔性封装层(5)厚度为10-15μm。
进一步地，所述柔性绝缘层(2)的材料为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酯、聚酰亚胺或聚对二甲苯中的一种或多种；所述温度敏感功能层(3)的材料为铂、铜、镍或锰钴镍基金属氧化物中的一种或多种；所述柔性封装层(5)的材料为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酯、聚酰亚胺或聚对二甲苯中的一种或多种。
进一步地，所述若干个温度传感单元可设置于金属箔片(1)的任意位置。
一种具有温度传感功能的锂电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，所述正极和负极所使用的集流体均为本发明集流体。
一种具有温度传感功能的锂电池集流体的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.对金属箔片分别进行丙酮、酒精和去离子水的超声清洗，将金属箔片表面的杂质去除；
步骤2.在金属箔片(1)表面沉积柔性绝缘层(2)，金属箔片(1)和柔性绝缘层(2)的厚度比为(0.5～2)：1；
步骤3.在步骤2制备的柔性绝缘层(2)表面制备温度敏感功能层(3)，温度敏感功能层(3)厚度为3-5μm；
步骤4.对步骤3制备的温度敏感功能层(3)进行图形化加工，得到具有蛇形线结构的温度敏感功能层(3)；
步骤5.在温度敏感功能层(3)的焊点区域焊接两根电阻引线(4)；
步骤6.在温度敏感功能层(3)表面沉积柔性封装层(5)，柔性封装层(5)厚度为10-15μm，所述柔性封装层(5)的面积与柔性绝缘层(2)面积相同，用于保护温度敏感功能层(3)，避免敏感功能层被锂电池电解液腐蚀，同时起到电气绝缘的目的；
步骤7.采用涂覆工艺在柔性封装层(5)及金属箔片(1)其他区域上沉积活性材料(6)，即可制备得到所需的具有温度传感功能的锂电池集流体。
进一步地，步骤2中沉积的方式为涂覆、物理气相沉积或旋涂；步骤3中制备温度敏感功能层(3)的方法为溅射、蒸镀或转移印刷等；步骤4中图形化的方法具体为离子束刻蚀、激光刻蚀技术或光刻技术；步骤6中沉积柔性封装层(5)的方法具体为气相沉积、旋涂、涂覆等。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明通过将温度传感单元直接制备在集流体上，能够有效实现电池内部温度监测的准确性，且温度传感单元与集流体的粘附性也显著提升，确保了其使用时的可靠性和有效性。此外，选用的柔性绝缘层材料、温度敏感功能层材料以及柔性封装层材料都具有一定的柔性，使得温度传感单元能够承受一定程度的弯曲，该特点使其能够与现有的电池制备工艺中涂覆，卷绕等工艺兼容，有效降低了制造成本和制备难度。
2.本发明中温度传感单元厚度不超过40μm，且单个温度传感单元尺寸仅为0.8×2mm2，温度传感单元的小特征尺寸能够极大降低对电池性能的影响。此外，本发明采用的制备工艺使得温度传感单元可制备于集流体上的任意位置，可单点布置也可多点布置。因此，通过调整集流体上温度传感单元的布置位置和数量能够实现电池内部不同位置的单点温度测量和多点温度测量。
附图说明
图1为本发明具有温度传感功能的锂电池集流体的结构示意图。
其中，1为金属箔片，2为柔性绝缘层，3为温度敏感功能层，4为电阻引线，5为柔性封装层，6为活性材料。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
图1为本发明具有温度传感功能的锂电池集流体的结构示意图，从图中可以看出，一种具有温度传感功能的锂电池集流体，包括金属箔片(1)、若干个温度传感单元和活性材料层(6)，所述温度传感单元包括柔性绝缘层(2)、温度敏感功能层(3)、电阻引线(4)和柔性封装层(5)；其中，柔性绝缘层(2)设置于金属箔片(1)上，温度敏感功能层(3)设置于柔性绝缘层(2)和柔性封装层(5)之间，活性材料层(6)设置于柔性封装层(5)上方，所述电阻引线(4)与温度敏感功能层(3)连接，用于输出电信号。
实施例1
一种具有温度传感功能的锂电池集流体的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.对金属箔片分别进行丙酮、酒精和去离子水的超声清洗，将金属箔片表面的杂质去除；对金属箔片(1)上预设置柔性绝缘层(2)的区域采用等离子清洗机进行等离子体清洗，提高预布置柔性绝缘层区域的粗糙度，增强柔性绝缘层(2)在金属箔片(1)表面的附着力，正极金属箔片为铝箔，其厚度为20μm；负极金属箔片为铜箔，其厚度为5～15μm；
步骤2.金属箔片(1)上预设置柔性绝缘层(2)的区域表面，通过涂覆工艺涂覆聚酰亚胺溶液，将涂覆后的金属箔片(1)置于70℃的烘箱中24h，再将金属箔片(1)置于190℃的真空烘箱中12h，目的是使聚酰亚胺溶液中的有机溶剂完全挥发，最终在金属箔片(1)上得到20μm厚的聚酰亚胺薄膜作为柔性绝缘层，其中，温度传感单元的布置区域可根据测试位置和测试点数量的要求布置在金属箔片(1)表面的不同区域；
步骤3.在步骤2得到的柔性绝缘层(2)上采用磁控溅射方法镀制铂薄膜层作为温度敏感功能层(3)，铂薄膜层的厚度为3μm；
步骤4.采用离子束刻蚀或者激光刻蚀方法对步骤3得到的铂薄膜层进行图形化加工处理，将多余的铂料从聚酰亚胺表面去除，制备具有蛇形线结构的温度敏感功能层(3)；
步骤5.在步骤4得到的温度敏感功能层(3)的焊盘区域施加铂浆，热烧结后，采用热压焊接的方法将两根电阻引线(4)分别焊接在铂薄膜层的焊盘区域；
步骤6.采用真空气相沉积工艺在温度敏感功能层(3)表面沉积10μm的聚对二甲苯作为柔性封装层(5)，所述柔性封装层(5)的面积与柔性绝缘层(2)面积相同，用于保护温度敏感功能层(3)；聚二甲苯优异的稳固性、防水、防霉、仿盐雾的性能，且可长期耐受350℃，短期耐温可达450℃；此外，聚对二甲苯相较于其他封装材料可以实现在更低的涂层厚度就能对器件表面形成有效的保护；
步骤7.采用涂覆工艺在柔性封装层(5)及金属箔片(1)其他区域上沉积活性材料(6)，即可制备得到所需的具有温度传感功能的锂电池集流体。
本实施例的温度传感单元面积仅为1.6平方毫米，与现有常用的18650型锂电池的电极面积比值为1：28000，设置温度传感单元的区域会降低电池有效容量，因此需要尽可能减小温度传感单元面积。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (7)

1.一种具有温度传感功能的锂电池集流体，其特征在于，包括金属箔片、若干个温度传感单元和活性材料层，所述温度传感单元包括柔性绝缘层、温度敏感功能层、电阻引线和柔性封装层；其中，柔性绝缘层设置于金属箔片上，温度敏感功能层设置于柔性绝缘层和柔性封装层之间，活性材料层设置于柔性封装层上方，所述电阻引线与温度敏感功能层连接，用于输出电信号；
所述锂电池集流体按照以下步骤制备得到：
步骤1.对金属箔片分别进行丙酮、酒精和去离子水的超声清洗；
步骤2.在步骤1清洗后的金属箔片表面沉积柔性绝缘层，所述柔性绝缘层与金属箔片的面积比为不超过1：28000，金属箔片和柔性绝缘层的厚度比为(0.5～2)：1；
步骤3.在步骤2制备的柔性绝缘层表面制备温度敏感功能层，温度敏感功能层厚度为3～5μm；
步骤4.对步骤3制备的温度敏感功能层进行图形化加工，得到具有蛇形线结构的温度敏感功能层；
步骤5.在温度敏感功能层的焊点区域焊接两根电阻引线；
步骤6.在温度敏感功能层表面沉积柔性封装层，柔性封装层厚度为10～15μm，所述柔性封装层的面积与柔性绝缘层面积相同；
步骤7.采用涂覆工艺在柔性封装层及金属箔片其他区域上沉积活性材料，即可制备得到所需的具有温度传感功能的锂电池集流体。
2.如权利要求1所述的具有温度传感功能的锂电池集流体，其特征在于，所述温度传感单元的厚度与集流体的厚度比为1：(1.4～3)。
3.如权利要求2所述的具有温度传感功能的锂电池集流体，其特征在于，所述温度传感单元的厚度小于40μm。
4.如权利要求1所述的具有温度传感功能的锂电池集流体，其特征在于，所述柔性绝缘层的材料为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酯、聚酰亚胺或聚对二甲苯中的一种或多种；所述温度敏感功能层的材料为铂、铜、镍或锰钴镍基金属氧化物中的一种或多种；所述柔性封装层的材料为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酯、聚酰亚胺或聚对二甲苯中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的具有温度传感功能的锂电池集流体，其特征在于，所述若干个温度传感单元可设置于金属箔片的任意位置。
6.如权利要求1所述的具有温度传感功能的锂电池集流体，其特征在于，步骤2中沉积的方式为涂覆、物理气相沉积或旋涂；步骤3中制备温度敏感功能层的方法为溅射、蒸镀或转移印刷；步骤4中图形化的方法具体为离子束刻蚀、激光刻蚀技术或光刻技术；步骤6中沉积柔性封装层的方法具体为气相沉积、旋涂或涂覆。
7.一种具有温度传感功能的锂电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，所述正极和负极所使用的集流体均为权利要求1～6任一权利要求所述的具有温度传感功能的锂电池集流体。
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