CN114221055B - 一种柔性应力传感功能集流体及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种柔性应力传感功能集流体及其制备方法与应用，所述柔性应力传感功能集流体包括基底膜，在所述基底膜的一侧设置集流体金属层，在所述基底膜的另一侧设置压阻式应力传感功能结构层；所述压阻式应力传感功能结构层包括依次设置的上电极层、导电聚合物层、下电极层与绝缘层；其中，所述上电极层与所述基底膜相接触，所述上电极层与所述下电极层通过导线与外部控制器相连接，用于电学信号传输。所述柔性应力传感功能集流体具备压阻应力传感功能、优异的柔性以及集成度高的优点，可在生产过程中进行卷绕，并最大程度保证器件的轻薄性；所述制备方法简单，操作安全，且应用广泛，可应用于圆柱形电池、方形电池和各类软包锂电池。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及锂电池内应力实时监测技术领域，具体涉及一种柔性应力传感功能集流体及其制备方法与应用。
背景技术
自从锂电池问世以来，锂电池成为缓解能源危机的重要储能手段之一。锂电池能量密度高，工作电压高，循环稳定好，广泛用于各种动力储能领域，在新能源汽车、小型数码产品和无人机领域占有很大市场。
然而，在锂电池不断充放电过程中，电池内部时常产生的内应力会造成电化学性能衰退，并导致不容忽视的安全隐患。通常内应力的产生有两大原因：第一，正负极材料在嵌锂和脱锂过程中伴随着极片厚度发生变化，尤其是负极极片，其膨胀率可达20％，这与石墨在嵌锂后形成的层状化合物导致晶格间距增大有关。这种不可恢复性膨胀引起的内应力增大，经过累积造成卷芯变形，不仅影响负极嵌锂深度和锂离子扩散速率，还会对隔膜造成压迫引起短路风险。第二，电池内部产气引起鼓胀，产气的原因主要有：①固体电解质界面膜(SEI膜)在形成时发生电解液的分解，通常产生以烃类为主的气体；②电池内部残存的O2造成电解液的氧化，产生大量CO2气体；③体系中残留的H2O导致HF的产生，进而破坏SEI膜，SEI膜的重新修复再次释放以烃类为主的气体。尽管圆柱电池顶端通常设有排气口，但仍有大量气体存留在电池内部。
当电池内应力达到一定程度时，会导致电极破裂，隔膜损伤，电池短路等问题，内应力成为锂电池的一个重大安全隐患。因此，开发实时监测电池内应力的应力传感器集流体显得尤为重要。CN113108955A公开了一种电池内电极材料应力监测装置、方法以及应用，属于电池领域，装置包括集流体、光纤、光纤光栅、极耳胶和导电金属片，电极材料附着于集流体上，光纤被包埋在电极材料中，光纤内部刻制有光纤光栅，光纤穿出集流体之外并贴合在集流体的边缘处，导电金属片通过焊接方式固定在集流体的表面，且穿出集流体之外并与光纤平行，极耳胶成对粘贴在集流体外的边缘处，并覆盖光纤上下表面和导电金属片的上下表面。但是，所述应力监测装置结构简单，材料弹性较弱，无法形成可拉伸和变形的稳定导电网络，应力监测准确度较低。
综上所述，目前亟需开发一种柔性应力传感功能集流体及其制备方法与应用，可以实现锂电池内应力实时监测并预警，以免因电池内应力过大而造成电池失效甚至毁损。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种柔性应力传感功能集流体及其制备方法与应用，所述柔性应力传感功能集流体具有优异的高弹性，能形成可拉伸和变形的稳定导电网络，而柔性应力传感功能集流体的制备方法具有操作简单的优点，便于推广应用。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的目的之一在于提供一种柔性应力传感功能集流体，包括基底膜，在所述基底膜的一侧设置集流体金属层，在所述基底膜的另一侧设置压阻式应力传感功能结构层；所述压阻式应力传感功能结构层包括依次设置的上电极层、导电聚合物层、下电极层与绝缘层；其中，所述上电极层与所述基底膜相接触，所述上电极层与所述下电极层分别通过导线与控制器相连接，用于电学信号传输。
本发明所述柔性应力传感功能集流体包括6层复合结构，缺一不可；其中，压阻式应力传感功能结构层包括依次设置的上电极层、导电聚合物层与下电极层，导电聚合物层在应力的作用下，其内阻发生改变，即产生电学信号，利用上电极层和下电极层将电学信号传输至控制器，得知应力的大小，换个角度解释，上电极层、下电极层和导电聚合物层为一个系统，共同构成一种应力传感器；关于基底膜，一方面，在制备过程中，必须有基底膜层的存在才能磁控溅射金属层作为集流体金属层和上电极层，其起到承载作用，另一方面，基底膜层为高强度聚合物层，相比传统集流体，其重量更低，有利于提升电池的能量密度；集流体金属层，这是作为集流体必不可少的结构层，在其上将涂覆正极活性物质(三元材料、磷酸铁锂、钴酸锂等)或负极活性物质(石墨、硅碳等)，集流体作为电子的载体，电子将在电池产生的电势下定向移动；绝缘层，通常为非导电聚合物构成，其功能主要有两点，一为对下电极层进行绝缘保护，以防止漏电或其它外界电学信号对上电极层、导电聚合物层与下电极层构成的应力传感器进行干扰，二是对下电极层进行保护，防止氧化及破损。
本发明所述柔性应力传感功能集流体具备压阻应力传感功能，由于应力的作用使导电聚合物层的阻值发生变化，因此将力学信号转变为电学信号，其灵敏度高，能够及时监测电池内部应力的变化；本发明所述柔性应力传感功能集流体不仅具备优异的柔性，可在生产过程中进行卷绕，还具有集成度高的优点，在实现应力传感功能的基础上，最大程度保证器件的轻薄性；而且，本发明所述控制器与上电极层、下电极层组成闭合回路，通过位于外部的控制器来供电和采集电学信号。
值得说明的是，相比于现有技术公开的集流体，本发明所述柔性应力传感功能集流体具有如下优势：(1)现有技术公开的集流体一般是纯金属材料，而本发明采用的是金属与塑料复合型集流体，其先进性在于：一方面，可以起到集流体整体减重，提高电池能量密度；另一方面，由于本发明使用了金属与塑料的复合结构，其具有更好的阻燃性，可以进一步提高电池的安全性；(2)现有技术公开的集流体本身就只有导电一个功能，需要借助其他监测器件才能实现压力监测方案，并不是一个整体，而本发明所述集流体不仅可以为正、负极材料提供导电功能，同时可以监测电极片压力变化，因而具有功能集成特点；(3)本发明为面状压力传感器，而现有技术公开的基本都是点状或线状压力传感器，无法实现整个面电极的压力监测。
作为本发明优选的技术方案，所述基底膜的材质包括聚酰亚胺(PI)、聚醚醚酮(PEEK)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性的实例是：聚酰亚胺与聚醚醚酮的组合，聚醚醚酮与聚对苯二甲酸乙二醇酯的组合，或聚酰亚胺与聚对苯二甲酸乙二醇酯的组合等。
优选地，所述基底膜的厚度为10-50μm，例如10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm或50μm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述集流体金属层的材质包括铜、铝或银中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述集流体金属层的厚度为0.2-2μm，例如0.2μm、0.5μm、0.8μm、1μm、1.2μm、1.5μm、1.7μm或2μm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述上电极层的材质包括铜、铝或银中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述上电极层的厚度为0.2-2μm，例如0.2μm、0.5μm、0.8μm、1μm、1.2μm、1.5μm、1.7μm或2μm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述导电聚合物层包括聚合物弹性体与导电材料。
优选地，所述聚合物弹性体包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯(PE)、左旋聚乳酸(PLLA)、聚丙烯酰胺(PAM)或聚乙烯亚胺(PEI)中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性的实例是：聚二甲基硅氧烷与聚氨酯的组合，聚偏氟乙烯与聚甲基丙烯酸甲酯的组合，聚碳酸酯与聚乙烯的组合，左旋聚乳酸与聚丙烯酰胺的组合，或聚丙烯酰胺与聚乙烯亚胺的组合等。
优选地，所述导电材料包括碳纳米管(CNT)、银纳米线(AgNW)、炭黑、石墨烯、Mxene或还原氧化石墨烯(rGO)中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性的实例是：碳纳米管与银纳米线的组合，炭黑与石墨烯的组合，或Mxene与还原氧化石墨烯的组合等。
优选地，所述导电聚合物层的厚度为50-200μm，例如50μm、70μm、100μm、130μm、150μm、180μm或200μm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述下电极层的材质包括铜、铝或银中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述下电极层的厚度为0.5-2μm，例如0.2μm、0.5μm、0.8μm、1μm、1.2μm、1.5μm、1.7μm或2μm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述绝缘层的材质包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、热塑性聚氨酯弹性体(TPU)、环氧树脂或聚酰亚胺(PI)中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性的实例是：聚对苯二甲酸乙二醇酯与热塑性聚氨酯弹性体的组合，热塑性聚氨酯弹性体与环氧树脂或聚酰亚胺的组合，或聚对苯二甲酸乙二醇酯与环氧树脂或聚酰亚胺的组合等。
优选地，所述绝缘层的厚度为10-100μm，例如10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm或100μm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明的目的之二在于提供一种目的之一所述柔性应力传感功能集流体的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)通过物理气相沉积在基底膜的两侧分别形成集流体金属层和上电极层；
(2)在步骤(1)所述上电极层涂覆导电聚合物浆料，依次进行干燥、冷却得到导电聚合物层；
(3)在步骤(2)所述导电聚合物层上通过物理气相沉积形成下电极层；
(4)将步骤(1)所述上电极层与步骤(3)所述下电极层分别通过导线与控制器相连接，用于电学信号传输；
(5)在步骤(3)所述下电极层涂覆绝缘涂料，依次进行干燥、冷却得到绝缘层，并得到柔性应力传感功能集流体。
本发明所述柔性应力传感功能集流体的制备方法简单，操作安全，且应用广泛，可应用于圆柱形电池、方形电池等。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述物理气相沉积为磁控溅射。
优选地，步骤(2)所述导电聚合物浆料的制备方法包括：按照重量份数分别称取10-30份聚合物弹性体与2-10份导电材料，加入到60-80份液体分散剂中，搅拌均匀得到导电聚合物浆料。
在步骤(2)所述导电聚合物浆料的制备方法中，聚合物弹性体占比10-30份，例如10份、15份、20份、25份或30份等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
在步骤(2)所述导电聚合物浆料的制备方法中，导电材料占比2-10份，例如2份、3份、4份、5份、6份、7份、8份、9份或10份等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
在步骤(2)所述导电聚合物浆料的制备方法中，液体分散剂占比60-80份，例如60份、65份、70份、75份或80份等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述聚合物弹性体包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯(PE)、左旋聚乳酸(PLLA)、聚丙烯酰胺(PAM)或聚乙烯亚胺(PEI)中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性的实例是：聚二甲基硅氧烷与聚氨酯的组合，聚偏氟乙烯与聚甲基丙烯酸甲酯的组合，聚碳酸酯与聚乙烯的组合，左旋聚乳酸与聚丙烯酰胺的组合，或聚丙烯酰胺与聚乙烯亚胺的组合等。
优选地，所述导电材料包括碳纳米管(CNT)、银纳米线(AgNW)、炭黑、石墨烯、Mxene或还原氧化石墨烯(rGO)中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性的实例是：碳纳米管与银纳米线的组合，炭黑与石墨烯的组合，或Mxene与还原氧化石墨烯的组合等。
优选地，所述液体分散介质包括二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAc)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、异丙醇、正丁醇、乙醇、丙三醇或蒸馏水中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性的实例是：二甲基甲酰胺与二甲基乙酰胺的组合，二甲基乙酰胺与N-甲基-2-吡咯烷酮的组合，异丙醇与正丁醇的组合，正丁醇与乙醇的组合，乙醇与丙三醇的组合，或丙三醇与蒸馏水的组合等。
优选地，步骤(2)所述干燥的温度为50-120℃，例如50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃或120℃等，时间为1-24h，例如1h、4h、8h、12h、16h、20h或24h等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(3)所述物理气相沉积为磁控溅射。
优选地，步骤(5)所述绝缘涂料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、热塑性聚氨酯弹性体(TPU)、环氧树脂或聚酰亚胺(PI)中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性的实例是：聚对苯二甲酸乙二醇酯与热塑性聚氨酯弹性体的组合，热塑性聚氨酯弹性体与环氧树脂或聚酰亚胺的组合，或聚对苯二甲酸乙二醇酯与环氧树脂或聚酰亚胺的组合等。
优选地，步骤(5)所述干燥的温度为50-120℃，例如50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃或120℃等，时间为1-24h，例如1h、4h、8h、12h、16h、20h或24h等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述制备方法包括如下步骤：
(1)通过磁控溅射在基底膜的两侧分别形成集流体金属层和上电极层；
(2)在步骤(1)所述上电极层涂覆导电聚合物浆料，在50-120℃下干燥1-24h，冷却后得到导电聚合物层；
其中，所述导电聚合物浆料的制备方法包括：按照重量份数分别称取10-30份聚合物弹性体与2-10份导电材料，加入到60-80份液体分散剂中，搅拌均匀得到导电聚合物浆料；
(3)在步骤(2)所述导电聚合物层上通过磁控溅射形成下电极层；
(4)将步骤(1)所述上电极层与步骤(3)所述下电极层分别通过导线与控制器相连接，用于电学信号传输；
(5)在步骤(3)所述下电极层涂覆绝缘涂料，在50-120℃下干燥1-24h，冷却后得到绝缘层，并得到柔性应力传感功能集流体。
本发明的目的之三在于提供一种柔性应力传感功能集流体的应用，将目的之一所述柔性应力传感功能集流体或目的之二所述制备方法制备得到的柔性应力传感功能集流体，作为正极集流体或负极集流体应用于锂电池。
与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明所述柔性应力传感功能集流体具备压阻应力传感功能，由于应力的作用使导电聚合物层的阻值发生变化，因此将力学信号转变为电学信号，其灵敏度高，能够及时监测电池内部应力的变化；
(2)本发明所述柔性应力传感功能集流体具备优异的柔性，可在生产过程中进行卷绕；
(3)本发明所述柔性应力传感功能集流体具备集成度高的优点，在实现应力传感功能的基础上，可以最大程度保证器件的轻薄性；
(4)本发明所述柔性应力传感功能集流体的制备方法简单，操作安全，且应用广泛，可应用于圆柱形电池、方形电池和各类软包锂电池。
附图说明
图1是本发明所述柔性应力传感功能集流体的结构示意图；
图2是本发明所述灵敏度测试系统的示意图；
图中：1-集流体金属层；2-基底膜；3-上电极层；4-导电聚合物层；5-下电极层；6-绝缘层；7-控制器；A-柔性应力传感功能集流体样品；B-推拉力计。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
如图1所示，本发明所述柔性应力传感功能集流体，包括基底膜2，在所述基底膜2的一侧设置集流体金属层1，在所述基底膜2的另一侧设置压阻式应力传感功能结构层；所述压阻式应力传感功能结构层包括依次设置的上电极层3、导电聚合物层4、下电极层5与绝缘层6；其中，所述上电极层3与所述基底膜2相接触，所述上电极层与所述下电极层分别通过导线与控制器7相连接，用于电学信号传输。
实施例1
本实施例提供了一种柔性应力传感功能集流体的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)通过磁控溅射在聚醚醚酮膜的两侧分别形成一层0.5μm厚的铜膜，将其中一侧的铜膜作为集流体金属层，将另一侧的铜膜作为上电极层；
(2)在步骤(1)所述上电极层均匀涂覆导电聚合物浆料，在70℃下干燥8h，冷却后得到厚度为60μm的导电聚合物层；
其中，所述导电聚合物浆料的制备方法包括：按照重量份数分别称取1.0g聚二甲基硅氧烷、0.2g粒径为15nm的导电炭黑、0.05g多壁碳纳米管，加入到5.0g N-甲基-2-吡咯烷酮中，搅拌均匀得到导电聚合物浆料；
(3)在步骤(2)所述导电聚合物层上通过磁控溅射形成一层1μm厚的铜膜作为下电极层；
(4)将步骤(1)所述上电极层与步骤(3)所述下电极层分别通过导线与控制器相连接，用于电学信号传输；
(5)在步骤(3)所述下电极层涂覆对苯二甲酸乙二醇酯，在80℃下干燥18h，冷却后得到厚度为50μm绝缘层，并得到柔性应力传感功能集流体。
实施例2
本实施例提供了一种柔性应力传感功能集流体的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)通过磁控溅射在聚酰亚胺膜的两侧分别形成一层1.5μm厚的铝膜，将其中一侧的铝膜作为集流体金属层，将另一侧的铝膜作为上电极层；
(2)在步骤(1)所述上电极层均匀涂覆导电聚合物浆料，在55℃下干燥24h，冷却后得到厚度为100μm的导电聚合物层；
其中，所述导电聚合物浆料的制备方法包括：按照重量份数分别称取1.0g聚氨酯与0.2g粒径为15nm的导电炭黑，加入到4.0g二甲基甲酰胺中，搅拌均匀得到导电聚合物浆料；
(3)在步骤(2)所述导电聚合物层上通过磁控溅射形成一层1.5μm厚的铝膜作为下电极层；
(4)将步骤(1)所述上电极层与步骤(3)所述下电极层分别通过导线与控制器相连接，用于电学信号传输；
(5)在步骤(3)所述下电极层涂覆热塑性聚氨酯弹性体，在80℃下干燥10h，冷却后得到厚度为60μm绝缘层，并得到柔性应力传感功能集流体。
实施例3
本实施例提供了一种柔性应力传感功能集流体的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)通过磁控溅射在聚对苯二甲酸乙二醇酯膜的两侧分别形成一层1.0μm厚的铜膜，将其中一侧的铜膜作为集流体金属层，将另一侧的铜膜作为上电极层；
(2)在步骤(1)所述上电极层均匀涂覆导电聚合物浆料，在80℃下干燥8h，冷却后得到厚度为60μm的导电聚合物层；
其中，所述导电聚合物浆料的制备方法包括：按照重量份数分别称取1.0g聚二甲基硅氧烷与0.1g多壁碳纳米管，加入到4.0g异丙醇中，搅拌均匀得到导电聚合物浆料；
(3)在步骤(2)所述导电聚合物层上通过磁控溅射形成一层0.5μm厚的铜膜作为下电极层；
(4)将步骤(1)所述上电极层与步骤(3)所述下电极层分别通过导线与控制器相连接，用于电学信号传输；
(5)在步骤(3)所述下电极层涂覆环氧树脂，在80℃下干燥10h，冷却后得到厚度为90μm绝缘层，并得到柔性应力传感功能集流体。
实施例4
本实施例提供了一种柔性应力传感功能集流体的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)通过磁控溅射在聚对苯二甲酸乙二醇酯膜的两侧分别形成一层0.4μm厚的银膜，将其中一侧的银膜作为集流体金属层，将另一侧的银膜作为上电极层；
(2)在步骤(1)所述上电极层均匀涂覆导电聚合物浆料，在90℃下干燥8h，冷却后得到厚度为80μm的导电聚合物层；
其中，所述导电聚合物浆料的制备方法包括：按照重量份数分别称取0.9g聚甲基丙烯酸甲酯与0.1g多壁碳纳米管，加入到3.2g苯甲醚中，搅拌均匀得到导电聚合物浆料；
(3)在步骤(2)所述导电聚合物层上通过磁控溅射形成一层0.4μm厚的银膜作为下电极层；
(4)将步骤(1)所述上电极层与步骤(3)所述下电极层分别通过导线与控制器相连接，用于电学信号传输；
(5)在步骤(3)所述下电极层涂覆聚酰亚胺，在90℃下干燥10h，冷却后得到厚度为20μm绝缘层，并得到柔性应力传感功能集流体。
将上述实施例得到的柔性应力传感功能集流体进行灵敏度测试，采用如图2所示的灵敏度测试系统，测试系统包括计算机(PC)、数显式推拉力计B、电动试验机台，测试的力范围为0-50N，其中位于外部的控制器7为Keithley-4200源表。将待测的2cm×2cm的柔性应力传感功能集流体样品A放在电动试验机台的样品台中央位置，将样品A的两根导线分别与控制器7(Keithley-4200源表)的正负电极相接，外加1.0V的直流电压，接着调节推拉力计B所施加给样品A的压力大小进行测试。
柔性应力传感功能集流体的灵敏度由以下公式计算得：
其中，ΔI是样品A输出电流的相对变化，I0是样品A没有施加压力的原始状态下的初始电流，ΔP是样品A所受压力压强的相对变化。
具体测试结果汇总在表1中。
表1
| 项目 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 |
| 灵敏度 | 5.1[KPa]-1 | 3.6[KPa]-1 | 6.7[KPa]-1 | 4.3[KPa]-1 |
综上所述，本发明所述柔性应力传感功能集流体具备压阻应力传感功能，由于应力的作用使导电聚合物层的阻值发生变化，因此将力学信号转变为电学信号，其灵敏度高，能够及时监测电池内部应力的变化；本发明所述柔性应力传感功能集流体不仅具备优异的柔性，可在生产过程中进行卷绕，还具备集成度高的优点，在实现应力传感功能的基础上，可以最大程度保证器件的轻薄性；本发明所述柔性应力传感功能集流体的制备方法简单，操作安全，且应用广泛，可应用于圆柱形电池、方形电池和各类软包锂电池。
本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (14)
1.一种柔性应力传感功能集流体，其特征在于，包括基底膜，在所述基底膜的一侧设置集流体金属层，在所述基底膜的另一侧设置压阻式应力传感功能结构层；所述压阻式应力传感功能结构层包括依次设置的上电极层、导电聚合物层、下电极层与绝缘层；其中，所述上电极层与所述基底膜相接触，所述上电极层与所述下电极层分别通过导线与控制器相连接；
所述基底膜的材质包括聚酰亚胺、聚醚醚酮或聚对苯二甲酸乙二醇酯中的任意一种或至少两种的组合；所述基底膜的厚度为10-50μm；
所述集流体金属层的材质包括铜、铝或银中的任意一种或至少两种的组合；所述集流体金属层的厚度为0.2-2μm；
所述导电聚合物层包括聚合物弹性体与导电材料；所述聚合物弹性体包括聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚乙烯、左旋聚乳酸、聚丙烯酰胺或聚乙烯亚胺中的任意一种或至少两种的组合；所述导电材料包括碳纳米管、银纳米线、炭黑、石墨烯、Mxene或还原氧化石墨烯中的任意一种或至少两种的组合；所述导电聚合物层的厚度为50-200μm；
所述绝缘层的材质包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、热塑性聚氨酯弹性体、环氧树脂或聚酰亚胺中的任意一种或至少两种的组合；所述绝缘层的厚度为10-100μm。
2.根据权利要求1所述的柔性应力传感功能集流体，其特征在于，所述上电极层的材质包括铜、铝或银中的任意一种或至少两种的组合。
3.根据权利要求1所述的柔性应力传感功能集流体，其特征在于，所述上电极层的厚度为0.2-2μm。
4.根据权利要求1所述的柔性应力传感功能集流体，其特征在于，所述下电极层的材质包括铜、铝或银中的任意一种或至少两种的组合。
5.根据权利要求1所述的柔性应力传感功能集流体，其特征在于，所述下电极层的厚度为0.5-2μm。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述柔性应力传感功能集流体的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)通过物理气相沉积在基底膜的两侧分别形成集流体金属层和上电极层；
(2)在步骤(1)所述上电极层涂覆导电聚合物浆料，依次进行干燥、冷却得到导电聚合物层；
(3)在步骤(2)所述导电聚合物层上通过物理气相沉积形成下电极层；
(4)将步骤(1)所述上电极层与步骤(3)所述下电极层分别通过导线与控制器相连接，用于电学信号传输；
(5)在步骤(3)所述下电极层涂覆绝缘涂料，依次进行干燥、冷却得到绝缘层，并得到柔性应力传感功能集流体。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述物理气相沉积为磁控溅射。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述导电聚合物浆料的制备方法包括：按照重量份数分别称取10-30份聚合物弹性体与2-10份导电材料，加入到60-80份液体分散剂中，搅拌均匀得到导电聚合物浆料。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述液体分散剂包括二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、异丙醇、正丁醇、乙醇、丙三醇或蒸馏水中的任意一种或至少两种的组合。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述干燥的温度为50-120℃，时间为1-24h。
11.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述物理气相沉积为磁控溅射。
12.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)所述干燥的温度为50-120℃，时间为1-24h。
13.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)通过磁控溅射在基底膜的两侧分别形成集流体金属层和上电极层；
(2)在步骤(1)所述上电极层涂覆导电聚合物浆料，在50-120℃下干燥1-24h，冷却后得到导电聚合物层；
其中，所述导电聚合物浆料的制备方法包括：按照重量份数分别称取10-30份聚合物弹性体与2-10份导电材料，加入到60-80份液体分散剂中，搅拌均匀得到导电聚合物浆料；
(3)在步骤(2)所述导电聚合物层上通过磁控溅射形成下电极层；
(4)将步骤(1)所述上电极层与步骤(3)所述下电极层分别通过导线与控制器相连接，用于电学信号传输；
(5)在步骤(3)所述下电极层涂覆绝缘涂料，在50-120℃下干燥1-24h，冷却后得到绝缘层，并得到柔性应力传感功能集流体。
14.一种柔性应力传感功能集流体的应用，其特征在于，将权利要求1-5任一项所述柔性应力传感功能集流体或权利要求6-13任一项所述制备方法制备得到的柔性应力传感功能集流体，作为正极集流体或负极集流体应用于锂电池。
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Denomination of invention: A flexible stress sensing functional fluid collector and its preparation method and application Granted publication date: 20230801 Pledgee: Dongyang Branch of China Construction Bank Co.,Ltd. Pledgor: HENGDIAN GROUP DMEGC MAGNETICS Co.,Ltd. Registration number: Y2024330000729 |