CN114295160B - 一种用于锂电池内部多物理场监测的柔性传感阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于锂电池内部多物理场监测的柔性传感阵列，属于锂电池监测技术领域，其特征在于，至少包括：一柔性衬底；排列在所述柔性衬底上的M个传感单元，不同传感单元用于测量电池内部不同位置的参数；M为大于0的自然数；将柔性衬底和M个传感单元进行封装用的封装材料；一组引出电极，所述引出电极用于连接传感单元与外部测量电路；其中：每个传感单元至少包含三种传感器，同时监测电池单体内部的热性能、力性能和电性能。与现有电池内部监测技术相比，本公开提供的柔性传感阵列能够同时监测锂电池内部多个区域的热学、力学、电学参数，具有更高的集成度、更高的可靠性、与电池内部结构更好的共形能力和更高的空间分辨率。

Description

一种用于锂电池内部多物理场监测的柔性传感阵列

技术领域

本发明属于锂电池监测技术领域，具体涉及一种用于锂电池内部多物理场监测的柔性传感阵列。

背景技术

锂离子电池已经广泛应用于电动车、无人机、生物医学设备和各类便携式电子产品中。各类产品对锂电池的依赖要求系统能够精确监控电池的状态，从而提高锂离子电池系统的运行效率、安全性和稳定性。因此，亟需构建单体级电池管理系统(Batterymanagement system，BMS)，开发能够原位监测锂电池内部状态的方法，实时监控电池单体内部电学、力学、热学等多物理场特性，将电池的健康状态和安全状态及时反馈给上级BMS，防止灾难性事故的发生。

目前，采用植入式传感器已经能够实现对电池单体内部状态的监测，植入式传感器主要包括两种类型。一种是光纤布拉格光栅传感器，通过计算光谱的波长位移，实现对内部温度、应变和压力等参数的实时监测。然而，这种间接的测量方法缺乏准确性，且由于光纤传感器对多种物理量具有交叉灵敏性，需要复杂的结构设计对不同信号进行解耦。此外，电池密封或激活期间的高内部压力容易造成光纤传感器的损坏，且传感器容易受弯曲和振动的影响，难以保证器件的长期可靠性。另一种是嵌入式微传感器，相比光纤传感器这种接触式测量方法具有更高的精度、更低的信号串扰和更多的检测功能。目前，业内关于嵌入式微传感器的研究主要集中于温度监测，利用热敏电阻、热电偶、薄膜电阻等微传感器，监测单体内部单点或多点的温度变化。然而，基于商用热敏电阻和热电偶的嵌入式微传感器具有毫米级的厚度，植入后无法与电池共形，容易在电池充放电过程中损坏内部膜层结构。基于CMOS工艺制备的金属薄膜温度传感器厚度仅有几十微米，能够与电池内部结构共形贴附，并且易于与其他传感单元集成，利用同一器件实现多种参数的检测。然而，受限于薄膜传感器的设计和制备技术，现有研究缺乏对内部机械变化的监测，且集成度较低还未实现热学、电学、力学传感单元的集成。一些研究团队开发了兼具温度、电压、电流传感功能的薄膜传感器，然而传感器的空间分辨率较低，仅能监测电池内部单一部位的性能。

综上所述，目前用于电池内部监测的植入式传感器主要存在以下问题：

(1)对多种物理量具有交叉灵敏性，需要复杂的解耦方法；

(2)传感器自身容易损坏，难以保证长期可靠性；

(3)传感器自身厚度导致器件无法与电池内部结构良好共形，且容易损伤电池内部结构；

(4)缺乏监测电池内部力学性能的薄膜型传感器；

(5)集成度低，难以利用同一器件监测电池内部热、力、电等多物理场性能；

(6)空间分辨率低，难以在实现多功能检测的同时实现分布式测量。

然而，锂电池内部状态变化是多种参数共同作用的结果，因此要求嵌入式传感器具有多物理场测量能力，并且具有高空间分辨率，多维度、全方位获知电池的内部状态，探索多物理场因素耦合机制。因此，亟需开发一种具有多物理场监测能力的传感阵列。

近年来，随着柔性电子技术的快速发展，利用COMS、MEMS、打印和转印等方式，实现了多种高集成度的微型柔性多功能传感器，广泛应用于健康监测、电子皮肤和农业监测等场景。基于柔性电子技术，构建了多种兼具电压、电流、压力、应变和温度等多种功能的柔性传感阵列，为解决上述问题，为实现电池内部状态的多物理场、高空间分辨率监测提供了技术可能。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出一种用于锂电池内部多物理场监测的柔性传感阵列。

本发明的目的是提供一种用于锂电池内部多物理场监测的柔性传感阵列，包括：

一柔性衬底；

排列在所述柔性衬底上的M个传感单元，不同传感单元用于测量电池内部不同位置的参数；M为大于0的自然数；

将柔性衬底和M个传感单元进行封装用的封装材料；

一组引出电极，所述引出电极用于连接传感单元与外部测量电路；其中：

每个传感单元至少包含三种类型的传感器，同时监测电池单体内部的热性能、力性能和电性能。

优选地，所述传感器至少包括温度传感器、应变传感器、压力传感器、电压传感器和电流传感器。

优选地，所述柔性衬底和封装材料为耐腐蚀聚合物薄膜。

优选地，所述耐腐蚀聚合物薄膜为聚酰亚胺或Parylene。

优选地，所述柔性传感阵列贴附于电池外壳的内壁。

优选地，所述引出电极一部分置于电池内部，一部分从电池极耳之间伸出电池外。

优选地，所述温度传感器采用蛇形结构，从而在有限区域内增大传感器本身电阻。

优选地，所述应变传感器用于监测电池在充放电过程中不同区域的形变。

优选地，所述压力传感器采用PDMS或Ecoflex或PU作为介电层，所述介电层与下层电极和上层电极构成压力传感电容。

本申请的有益效果是：

本发明基于柔性电子技术设计和制备的植入式电池传感器，兼具高精度、高空间分辨率和高集成度，利用同一器件就能全方位、多维度获知电池内部多个区域的多种状态。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明优选实施例的俯视图；

图2为本发明优选实施例的仰视图。

其中：1、传感单元；2、下层引出电极组；3、上层引出电极组；4、温度传感器；5、应变传感器；6、压力传感器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

一种用于锂电池内部多物理场监测的柔性传感阵列，包括：

若干个传感单元，不同传感单元用于测量电池内部不同位置的参数。

一组引出电极，所述引出电极用于连接传感单元与外部测量电路。

每一个所述传感单元包含三种以上传感器，能够同时监测电池单体内部的热性能、力性能、电性能，所述传感器包括但不限于温度传感器、应变传感器、压力传感器、电压传感器和电流传感器。

所述传感单元分布式排列在同一柔性衬底上，封装后共同构成所述柔性传感阵列。

上述优选实施例种的柔性传感阵列是基于柔性电子技术的制备工艺实现的。

所述柔性衬底和封装材料选用聚酰亚胺、Parylene等耐腐蚀聚合物薄膜。

所述柔性传感阵列制备完成后植入电池内部，贴附于电池外壳的内壁。

所述引出电极一部分置于电池内部，一部分从电池极耳之间伸出电池外。

完成所述柔性传感阵列的植入后对电池单体进行注液和密封。

请参阅图1，本优选实施例主要包括：

六个传感单元1、下层引出电极组2和上层引出电极组3。六个传感单元分布式排列构成2×3的传感阵列。

每一个传感单元包含三种传感器，分别是温度传感器4、应变传感器5、压力传感器6。其中，温度传感器4可以采用金属、半导体、导电聚合物等温度敏感材料，利用蛇形结构在有限的面积内增大传感器初始电阻。应变传感器5可以利用石墨烯、MXene等二维材料构建传感薄膜，基于裂纹效应监测电池在充放电过程中不同区域的形变。压力传感器6可以采用PDMS、Ecoflex、PU等弹性体作为介电层，与下层电极和上层电极构成压力传感电容。

传感阵列的柔性衬底及顶层封装材料采用PI、Parylene等耐腐蚀聚合物薄膜，从而防止传感材料与电解液发生反应。

传感阵列的下层引出电极组2和上层引出电极组3均采用导电银浆。

作为一个实施例，传感阵列可以采用微加工的方式制备，具体的流程如下：

S1、在固化好的PDMS基底上旋涂2μm的PI基底；

S2、采用电子束蒸镀、磁控溅射或电镀的方式在PI基底上沉积金属铜，光刻、刻蚀后形成下层电极组2；

S3、旋涂绝缘层PI，光刻、刻蚀后形成电极通孔；沉积金属金后，光刻、刻蚀形成温度传感器；

S4、采用点胶、转印等方式在通孔处打印应变传感器和压力传感器的介电层；

S5、旋涂绝缘层PI，光刻、刻蚀后形成电极通孔；

S6、沉积金属铜后，光刻、刻蚀形成上层引出电极组3；

S7、旋涂最后一层PI封装层，光刻、刻蚀后露出接口电极；

S8、用水溶性胶带将传感阵列从基底上揭下后贴附于锂电池外壳的内壁；

S9、对电池进行注液和密封。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。

综上所述，本公开提供了一种能够监测锂电池内部多点多参数的柔性传感阵列，阵列通过柔性电子技术的设计和制备方法获得，包含了若干个传感单元，每个传感单元内部都集成了两种以上传感器。与现有电池内部监测技术相比，本公开提供的柔性传感阵列能够同时监测锂电池内部多个区域的多种参数，具有更高的空间分辨率。。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于锂电池内部多物理场监测的柔性传感阵列，其特征在于，至少包括：

一柔性衬底；

排列在所述柔性衬底上的M个传感单元，不同传感单元用于测量电池内部不同位置的参数；M为大于0的自然数；

将柔性衬底和M个传感单元进行封装用的封装材料；

一组引出电极，所述引出电极用于连接传感单元与外部测量电路；其中：

每个传感单元至少包含三种类型的传感器，同时监测电池单体内部的热性能、力性能和电性能。

2.根据权利要求1所述的用于锂电池内部多物理场监测的柔性传感阵列，其特征在于：所述传感器包括温度传感器、应变传感器、压力传感器、电压传感器和电流传感器。

3.根据权利要求1或2所述的用于锂电池内部多物理场监测的柔性传感阵列，其特征在于：所述柔性衬底和封装材料为耐腐蚀聚合物薄膜。

4.根据权利要求1所述的用于锂电池内部多物理场监测的柔性传感阵列，其特征在于：所述柔性传感阵列贴附于电池外壳的内壁。

5.根据权利要求4所述的用于锂电池内部多物理场监测的柔性传感阵列，其特征在于：所述引出电极一部分置于电池内部，一部分从电池极耳之间伸出电池外。

6.根据权利要求2所述的用于锂电池内部多物理场监测的柔性传感阵列，其特征在于：所述温度传感器采用蛇形结构。

7.根据权利要求2所述的用于锂电池内部多物理场监测的柔性传感阵列，其特征在于：所述应变传感器用于监测电池在充放电过程中不同区域的形变。

8.根据权利要求2所述的用于锂电池内部多物理场监测的柔性传感阵列，其特征在于：所述压力传感器采用PDMS或Ecoflex或PU作为介电层，所述介电层与下层电极和上层电极构成压力传感电容。

9.根据权利要求1所述的用于锂电池内部多物理场监测的柔性传感阵列，其特征在于，由下列工艺加工而成：

S1、在固化好的PDMS基底上旋涂2μm的PI基底；

S2、采用电子束蒸镀、磁控溅射或电镀的方式在PI基底上沉积金属铜，光刻、刻蚀后形成下层引出电极组；

S3、旋涂绝缘层PI，光刻、刻蚀后形成电极通孔；沉积金属金后，光刻、刻蚀形成温度传感器；

S4、采用点胶、转印方式在通孔处打印应变传感器和压力传感器的介电层；

S5、旋涂绝缘层PI，光刻、刻蚀后形成电极通孔；

S6、沉积金属铜后，光刻、刻蚀形成上层引出电极组；

S7、旋涂最后一层PI封装层，光刻、刻蚀后露出接口电极；

S8、用水溶性胶带将传感阵列从基底上揭下后贴附于锂电池外壳的内壁；

S9、对电池进行注液和密封。