CN114801152A - 一种可自恢复的温控保护系统、制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电池温控系统技术领域，公开了一种可自恢复的温控保护系统、制备方法及应用，使用3D打印机制备具有矩形凹槽的聚乳酸(PLA)模具，在模具中倒入Ecoflex，获得Ecoflex容器，使用半固化的Ecoflex层封口，获得中空的Ecoflex整体，向整体中注入热敏溶液，将泡沫镍中填充PDMS橡胶，将泡沫镍尾部粘接在Ecoflex整体上，得到泡沫镍‑Ecoflex整体，用环氧树脂将得到的泡沫镍‑Ecoflex整体粘接在电池表面，将泡沫镍头部长于Ecoflex的部分向下弯折接触电池，在泡沫镍的尾部用导电银胶与外电路导线连接得到与电池连接的温控系统。本发明具有优良的热敏性能，且可重复使用。

Description

一种可自恢复的温控保护系统、制备方法及应用
技术领域
本发明属于电池温控系统技术领域，尤其涉及一种可自恢复的温控保护系统、制备方法及应用。
背景技术
目前，电池指盛有电解质溶液和金属电极以产生电流的杯、槽或其他容器或复合容器的部分空间，能将化学能转化成电能的装置。随着科技的进步，电池泛指能产生电能的小型装置，如太阳能电池、扣式电池等。随着时代的发展，单个电池的性能愈发优异，所蕴含的能量不断增加，因此人们对电池的保护也愈发的重视。在会导致电池发生故障的众多原因中由于外部温度过高导致电池爆炸或者是外电路损坏的情形屡见不鲜。
许久以来温控系统多被用来控制调控环境温度，以及对异常温度进行预警，但几乎没有专门的针对电池特别是微型电池设计的温控系统。市面上的许多微型温控系统多是采用电阻感温、金属的热胀冷缩来控制，不仅存在体积过大的缺点，还容易带来多余的电容电阻影响外电路以及电池的正常工作。综合各种情况，在温控系统中尽可能采用不导电的橡胶材质是减少多余电阻电容的关键。因此本发明提供一种温控系统既能根据温度变化控制开断，又不带来多余的电容电阻影响电池和外电路的工作。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的微型温控系统存在体积过大不便于集成在电池特别是微型电池上的缺点，且常用的微型电子温控系统容易带来多余的电容电阻影响外电路以及电池的正常工作。
解决以上问题及缺陷的难度：为了实现依据温度变化来进行控制，科研工作者进行了大量的研究，设计制造了多种温控系统，然而几乎没有针对电池特别是微型电池设计的温控系统。温控系统与电池特别是微型电池的集成是温控系统面临的一大难关。而且目前常用的电子温控系统采用的电子元件较多容易带来多余的电容电阻影响外电路以及电池。
解决以上问题及缺陷的意义：设计适用于电池特别是微型电池的温控系统，能够依据温度的变化，控制外电路以及电池的正常工作，能应用在诸如可穿戴医疗设备、柔性电池设备等一系列场景中。且不加入过多的电阻电容技能保证信号的有效性，又能避免对外电路造成影响。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种可自恢复的温控保护系统、制备方法及应用。
本发明是这样实现的，一种可自恢复的温控保护系统的制备方法包括：
(1)使用3D打印机和PLA墨水制作内部具有长方形凸起的矩形凹槽PLA模板；
(2)将两种Ecoflex原材料混合，搅拌均匀后静置10分钟得到微凝固状态的Ecoflex；
(3)将微凝固状态下的Ecoflex橡胶导入模具中，静置老化12小时。将静置后的Ecoflex脱模，得到Ecoflex容器；
(4)将微凝固状态下的Ecoflex倒在铝膜上静置10分钟得到半固化的Ecoflex层；
(5)将步骤(4)得到的半固化的Ecoflex层盖在步骤(3)得到的Ecoflex容器上，并由外向内施加压力，得到中空的Ecoflex整体；
(6)注射器向步骤(5)中得到的Ecoflex整体内注入20μL的热敏溶液，注射完成后用半固化的Ecoflex将注射孔封住；
(7)将一整块泡沫镍浸泡在溶液状未固化的PDMS橡胶中，PDMS橡胶固化后得到一整块填充有PDMS橡胶的泡沫镍，将泡沫镍裁剪成长条状。
(8)将步骤(7)中得到的填充有PDMS橡胶的长条状的泡沫镍置于Ecoflex整体上方，用胶水将泡沫镍尾部与Ecoflex尾部粘接在一起，得到一个泡沫镍-Ecoflex整体；
(9)用环氧树脂将步骤(8)中得到的泡沫镍-Ecoflex整体粘接在电池表面，将泡沫镍头部长于Ecoflex的部分向下弯折接触电池，并保持对电池表面有轻微的压力，在泡沫镍的尾部用导电银胶与外电路导线连接。
进一步，所述步骤(1)中的长方形凸起的尺寸为8*2*3mm3。该尺寸是微型温控系统的最佳尺寸，且该尺寸能满足大多数微型电池的需要。
进一步，所述步骤(2)中的静置时间为10分钟。静置10分钟能保证Ecoflex材料处于微凝固状态，微凝固状态才能证明Ecoflex的制备初步成功。
进一步，所述步骤(4)中半固化的Ecoflex层的厚度为200μm。200μm是Ecoflex层的最佳厚度，该厚度能保证Ecoflex保持整体形状的同时具备良好的机械性能。
进一步，所述步骤(5)中施加的压力为0.5Kpa，在室温下保持12小时。0.5Kpa的压力保持12小时能保证Ecoflex层与Ecoflex容器接触紧密的同时不使Ecoflex发生形变。
进一步，所述步骤(6)中的热敏溶液为乙醇溶液。乙醇溶液是目前最常用的热敏溶液，绿色环保。
进一步，所述步骤(7)中泡沫镍裁剪成的长条状尺寸为15mm*2mm*1mm。该尺寸的泡沫镍能恰到好处的与Ecoflex整体结合，且能很好的与电池连接
进一步，所述步骤(8)中泡沫镍尾部与Ecoflex尾部粘接的长度为Ecoflex整体的1/4。粘接长度为Ecoflex整体的1/4时能保证温控系统顺利开断，和正常工作。
本发明的另一目的在于提供一种可自恢复的温控保护系统，所述可自恢复的温控保护系统底面积为24mm2，所述可自恢复的温控保护系统通过尾部的导电银胶，以及头部的泡沫镍连接电池以及外电路。
本发明的另一目的在于提供一种可自恢复的温控保护系统在微型电池中的应用。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明使用3D打印机商用Ecoflex材料以及热敏溶液(如乙醇)制备了感应驱动模块，然后使用泡沫镍制作了导电通路。本发明制备的温控系统体积小，结构简单，具有良好的集成能力，能安全高效的集成在电池特别是微型电池上；克服了当下温控系统不便于集成在微型电池上的缺点。本发明中的制备方法简单、高效，无多余的产物，制作的温控系统安全高效、生产成本低、设备资金投入少，能够很好的保护电池以及外电路电子设备的安全。
本发明通过在Ecoflex内注入对温度敏感的液体，溶液会随着温度的变化由液态变为气态，体积也会随之增大，Ecoflex整体也会因此膨胀从而将顶部的泡沫镍整体抬高使得，泡沫镍头部与电池表面脱离接触从而断开连接。而当温度下降后溶液又从气态冷凝为液态体积减小，Ecoflex恢复原状，泡沫镍下降重新与电池表面接触，恢复连接。
本发明中采用热胀冷缩的原理来为温控系统赋予动能，无需外部电源提供能量，绿色环保无污染。本发明主体使用Ecoflex橡胶能尽可能减少多余电阻电容的产生，填充PDMS的泡沫镍在保证导电性的同时能维持向下的压力保证与电池表面的连接。
与其他发明相比，本发明具有以下突出优点：
本发明能够很好集成在电池特别是微型电池上，克服了当下温控系统普遍无法较好的小型化集成的缺点。
本发明整个生产过程没有难以降解的废弃物产生，绿色环保；
本发明整个过程简单，不涉及到复杂的工艺技术以及复杂的制备手段；
本发明原理简单，便于后期维护与调整，不会出现由于工作原理复杂导致的一系列的后续问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述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的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的可自恢复的温控保护系统的制备方法流程图；
图2是本发明实施例提供的可自恢复的温控保护系统的制备过程原理图；
图3是本发明实施例提供的可自恢复的温控保护系统的有限元分析以及工作示意图；
图4是本发明实施例提供的可自恢复的温控保护系统工作展示效果图；
图5是本发明实施例提供的可自恢复的温控保护系统匹配电池工作展示效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种可自恢复的温控保护系统、制备方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的可自恢复的温控保护系统的制备方法包括：
S101，使用3D打印机和PLA墨水制作内部具有长方形凸起的矩形凹槽PLA模板；
S102，将两种Ecoflex原材料混合，搅拌均匀后静置得到微凝固状态的Ecoflex；
S103，将微凝固状态下的Ecoflex橡胶导入模具中，静置老化12小时。将静置后的Ecoflex脱模，得到Ecoflex容器；
S104，将微凝固状态下的Ecoflex橡胶倒在铝膜上静置10分钟得到半固化的Ecoflex层；
S105，将步骤S104得到的半固化的Ecoflex层盖在步骤S103得到的Ecoflex容器上，并由外向内施加压力，得到中空的Ecoflex整体；
S106，注射器向步骤S105中得到的Ecoflex整体内注入20μL的热敏溶液，注射完成后用半固化的Ecoflex将注射孔封住；
S107，将一整块泡沫镍浸泡在溶液状未固化的PDMS橡胶中，PDMS橡胶固化后得到一整块填充有PDMS橡胶的泡沫镍，将泡沫镍裁剪成长条状。
S108，将步骤S107中得到的填充有PDMS橡胶的长条状的泡沫镍置于Ecoflex整体上方，用胶水将泡沫镍尾部与Ecoflex尾部粘接在一起，得到一个泡沫镍-Ecoflex整体；
S109，用环氧树脂将步骤S108中得到的泡沫镍-Ecoflex整体粘接在电池表面，将泡沫镍头部长于Ecoflex的部分向下弯折接触电池，并保持对电池表面有轻微的压力，在泡沫镍的尾部用导电银胶与外电路导线连接。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
实施例1
为印证温控系统的基本原理，采用有限元分析软件(ANSYS)进行建模仿真模拟。运用ANSYS软件建立了等比的温控系统模型。其中Ecoflex容器的杨氏模量设置为0.082728MPa，泡沫镍的杨氏模量设为100MPa。乙醇的热膨胀系数设为1/℃，其余材料的热膨胀系数设为0。对乙醇模块施加升温过程，使乙醇模块膨胀60％，使得Ecoflex容器变形推动泡沫镍上移。泡沫镍与电池表面脱离接触的表现为泡沫镍头部与电池表面的接触力为0时，判定温控系统断开。
由图3所示，多次的模拟中，泡沫镍模块都完全脱离了与电池表面的接触，由此证明我们的设计原理在理论可行。
实施例2
将制备好的温控系统放置在加热板上，泡沫镍的头部与加热板连接。启动加热板，随着温度上升(～60℃)，Ecoflex开始膨胀。由图4可明显发现Ecoflex整体膨胀将泡沫镍抬起，断开与加热板的接触。重复数次可以证明本发明的合理性。
性能测试
将实施例2得到的温控系统粘在电池正极上，泡沫镍头部与电池表面连接，尾部用导线与LED灯连接。电池的负极用导线与LED灯连接，形成一个导电通路，如图5所示。将粘接了温控系统的电池连同温控系统一起放入81.3℃的油浴锅中，温控系统立刻触发，断开电路，LED灯熄灭。从油浴锅中取出电池，放入6.8℃的去离子水中，温控系统恢复，导通电路，LED灯被点亮。重复数次，结果均一致，由此可以证明本发明具有优良的性能。
在上述测试中，所采用的电池尺寸为22mm*22mm*0.78mm的微型电池。经过数次的重复实验，本发明依旧能够很好的完成随着温度的改变控制微型电池与外电路的任务。并且无论是在高温油浴内或是低温去离子水中温控系统都能与微型电池有效连接。综上，根据设计思路以及结果测试可以确定本发明能够应用于集成在电池特别是微型电池的使用中，能满足依据温度对电池或者微型电池进行控制的需求。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可自恢复的温控保护系统的制备方法，其特征在于，所述可自恢复的温控保护系统的制备方法包括：
(1)使用3D打印机和PLA墨水制作内部具有长方形凸起的矩形凹槽PLA模板；
(2)将两种Ecoflex原材料混合，搅拌均匀后静置得到微凝固状态的Ecoflex；
(3)将微凝固状态下的Ecoflex橡胶导入模具中，静置老化12小时。将静置后的Ecoflex脱模，得到Ecoflex容器；
(4)将微凝固状态下的Ecoflex倒在铝膜上静置10分钟得到半固化的Ecoflex层；
(5)将步骤(4)得到的半固化的Ecoflex层盖在步骤(3)得到的Ecoflex容器上，并由外向内施加压力，得到中空的Ecoflex整体；
(6)注射器向步骤(5)中得到的Ecoflex整体内注入20μL的热敏溶液，注射完成后用半固化的Ecoflex将注射孔封住；
(7)将一整块泡沫镍浸泡在溶液状未固化的PDMS橡胶中，PDMS橡胶固化后得到一整块填充有PDMS橡胶的泡沫镍，将泡沫镍裁剪成长条状；
(8)将步骤(7)中得到的填充有PDMS橡胶的长条状的泡沫镍置于Ecoflex整体上方，用胶水将泡沫镍尾部与Ecoflex尾部粘接在一起，得到一个泡沫镍-Ecoflex整体；
(9)用环氧树脂将步骤(8)中得到的泡沫镍-Ecoflex整体粘接在电池表面，将泡沫镍头部长于Ecoflex的部分向下弯折接触电池，并保持对电池表面有轻微的压力，在泡沫镍的尾部用导电银胶与外电路导线连接。
2.如权利要求1所述的可自恢复的温控保护系统的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的长方形凸起的尺寸为8*2*3mm3。
3.如权利要求1所述的可自恢复的温控保护系统的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的静置时间为15分钟。
4.如权利要求1所述的可自恢复的温控保护系统的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中半固化的Ecoflex层的厚度为200μm。
5.如权利要求1所述的可自恢复的温控保护系统的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中施加的压力为0.5Kpa，在室温下保持12小时。
6.如权利要求1所述的可自恢复的温控保护系统的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中的热敏溶液为乙醇溶液。
7.如权利要求1所述的可自恢复的温控保护系统的制备方法，其特征在于，所述步骤(7)中泡沫镍裁剪成的长条状尺寸为15mm*2mm*1mm。
8.如权利要求1所述的可自恢复的温控保护系统的制备方法，其特征在于，所述步骤(8)中泡沫镍尾部与Ecoflex尾部粘接的长度为Ecoflex整体的1/4。
9.一种利用权利要求1～8任意一项所述的可自恢复的温控保护系统的制备方法制备的可自恢复的温控保护系统，其特征在于，所述可自恢复的温控保护系统底面积为24mm2，所述可自恢复的温控保护系统通过尾部的导电银胶，以及头部的泡沫镍连接电池以及外电路。
10.一种权利要求9所述的可自恢复的温控保护系统在微型电池中的应用。
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