CN114914516A - 电芯内部集成柔性压力监测传感器的锂电池 - Google Patents

电芯内部集成柔性压力监测传感器的锂电池 Download PDF

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CN114914516A CN202210601851.6A CN202210601851A CN114914516A CN 114914516 A CN114914516 A CN 114914516A CN 202210601851 A CN202210601851 A CN 202210601851A CN 114914516 A CN114914516 A CN 114914516A
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张文明
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Abstract

本发明提供了一种电芯内部集成柔性压力监测传感器的锂电池，包括：锂电池本体和柔性压力薄膜传感器，所述锂电池本体包括电芯和锂电池外壳，所述柔性压力薄膜传感器上连接有数据连接线，所述柔性压力薄膜传感器位于锂电池本体内部，所述数据连接线延伸至锂电池本体外部。包括：锂电池本体和柔性压力薄膜传感器，所述锂电池本体包括电芯和锂电池外壳，所述柔性压力薄膜传感器上连接有数据连接线，所述柔性压力薄膜传感器位于锂电池本体内部，所述数据连接线延伸至锂电池本体外部。

Description

电芯内部集成柔性压力监测传感器的锂电池
技术领域
本发明涉及电池检测领域，具体地，涉及一种电芯内部集成柔性压力监测传感器的锂电池。
背景技术
随着社会和科技的高速发展，锂电池逐渐成为人类社会上不可或缺的一种能量来源。锂电池具有能量密度大，较长的使用寿命，重量轻，绿色环保等优点。但是，锂电池存在安全隐患，有爆炸的风险。当电芯外部发生短路，而电子组件又不能及时切断回路，导致电芯内部的温度上升，电解质气化，电池外壳膨胀，并撑破，导致爆炸发生。另外，电池过充会导致极片上到处都是针状锂金属结晶，电池温度会逐渐升高，最后将电解液气化，最终导致外壳被撑破，使空气进入电芯与锂金属发生激烈氧化，或者温度过高使材料燃烧，引起爆炸。因此，对锂电池内部的压力的监控是非常有必要的。
我国专利公开号CN207559000U，授权公开日：2018.06.29，公开了一种可检测内部温度和压力的锂电池，包括电芯、底座、盖帽以及筒状的壳体，所述底座固设在所述壳体的下端，所述盖帽固设在所述壳体的上端，所述电芯插设在所述壳体内，其特征在于，所述底座的底部设置有PCB板，所述PCB板朝向所述壳体内部的一侧分别设有温度传感器和压力传感器；所述PCB板上连接有数据传输线，所述底座上开设有通孔，所述数据传输线的一端穿过所述通孔伸出所述壳体外。
上述的实用新型专利能够对单个锂电池的温度和压力的监测，将传感器设置在PCB板上使其能够很方便的知道锂电池内部的情况。但该实用新型专利有着一定的缺陷；一，该实用新型并不能监测到锂电池真正的内部情况，该传感器设置在PCB板上，事实上监测的是锂电池的底部温度和压力的情况；二，该实用新型并不能在锂电池工作期间进行监测，该锂电池在监测期间必须放入相应的壳体当中，上下都被完全密封起来，无法对锂电池进行充放电等工作流程进行监测。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种电芯内部集成柔性压力监测传感器的锂电池。
根据本发明提供的一种电芯内部集成柔性压力监测传感器的锂电池，包括：锂电池本体和柔性压力薄膜传感器，所述锂电池本体包括电芯和锂电池外壳，所述柔性压力薄膜传感器上连接有数据连接线，所述柔性压力薄膜传感器位于锂电池本体内部，所述数据连接线延伸至锂电池本体外部。
优选地，所述柔性压力薄膜传感器设置在锂电池外壳内壁上。
优选地，所述柔性压力薄膜传感器设置在电芯表面。
优选地，所述柔性压力薄膜传感器为柔性压电薄膜压力传感器。
优选地，所述柔性压电薄膜压力传感器包括基质、电活性层和叉指电极，所述叉指电极制作在基质的表面上，所述电活性层制作在叉指电极的表面上。
优选地，所述电活性层材料为压电聚合物偏二氟乙烯。
优选地，所述柔性压力薄膜传感器为柔性压阻薄膜压力传感器。
优选地，所述柔性压阻薄膜压力传感器包括上下两片金属薄膜层和中间一层压敏电阻层，所述压敏电阻层的电阻随着形变而变化。
优选地，所述压敏电阻层包含导电性的炭黑的聚合物薄膜制成的包装材料。
优选地，所述锂电池本体正极处包括安全阀和正极盖上的排气孔，所述数据连接线经由电芯表面，通过安全阀边缘，从排气孔延伸到锂电池本体外部。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提出的一种电芯内部集成柔性压力薄膜传感器的锂电池，克服电芯压力难以实时原位监测的难题，能够实时检测锂电池内部的压力，使得检测人员能够对电池内部压力有着及时且精确的把控，从而将电池使用风险降到最低。
2、相较于现有的测量电池外表面压力的方案，本发明测量电池内部压力，能够在电池发生故障的初期进行反馈，降低电池发生爆炸的几率。
3、本发明能够直接测量电芯表面压力变化，在故障发生初期而电池外表面尚未出现异常时反馈电池异常。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为实施例1中柔性压力薄膜传感器嵌入锂电池外壳内壁示意图；
图2为实施例1中头型压电薄膜压力传感器结构图；
图3为实施例2中柔性压力薄膜传感器设置在锂电池本体内部的卷绕电芯表面示意图；
图4为实施例2中柔性压阻薄膜压力传感器结构图；
图5为实施例3中柔性压力薄膜传感器采用双层PET耐腐蚀封装示意图；
图6为实施例4中从柔性压力传感器延伸出的数据连接线在锂电池本体中的安装路径图；
图7为实施例4中数据连接线从排气孔离开锂电池本体的三维视图。
附图标记说明
锂电池外壳1 压敏电阻层11
柔性压力薄膜传感器2 数据连接线12
锂电池本体3 塑封薄膜13
基质4 PET上薄膜14
电活性层5 PET下薄膜15
叉指电极6 柔性压阻薄膜压力传感器16
电芯7 排气孔17
塑料薄膜8 正极盖18
柔性压电薄膜压力传感器9 安全阀19
金属薄膜层10
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本发明公开一种电芯内部集成柔性压力监测传感器的锂电池，包括：锂电池本体3和柔性压力薄膜传感器2，所述锂电池本体3包括电芯7和锂电池外壳1，所述柔性压力薄膜传感器2上连接有数据连接线12，所述柔性压力薄膜传感器2位于锂电池本体3内部，所述数据连接线12延伸至锂电池本体3外部。柔性压力薄膜传感器2还可以通过无线数据发射器，将压力参数经由锂电池外壳1内壁传送至锂电池本体3外部的检测装置。
参照图1所示，在一些具体的实施案例中，所述柔性压力薄膜传感器2设置在锂电池外壳1内壁上。
参照图2所示，在一些具体的实施案例中，所述柔性压力薄膜传感器2为柔性压电薄膜压力传感器9，柔性压电薄膜压力传感器9包括基质4、电活性层5和叉指电极6，所述叉指电极6与电活性层5连接，所述基质4包覆在电活性层5和叉指电极6表面。所述电活性层5由压电材料所制成，压电材料受到形变后表面产生电荷，形成电场，从而实时测量锂电池表面压力形变。压电材料在无外部电压供电的情况下，也能够对机械应变产生一个电信号，同时允许传感原件自供电。
在一些具体实施案例中，所述电活性层5由聚偏二氟乙烯(PVDF)制成。由于聚偏二氟乙烯的生物相容性，高灵活性，成本效益，简单和允许大面积加工，使其被广泛运用在传感应用。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：所述柔性压力薄膜传感器2卷绕设置在电芯7表面，如图3所示，柔性压力薄膜传感器2通过塑料薄膜8紧贴在电芯7表面。
如图4所示，所述柔性压力薄膜传感器2为柔性压阻薄膜压力传感器16。所述柔性压阻薄膜压力传感器16包括上下两片金属薄膜层10和中间一层压敏电阻层11，所述压敏电阻层11的电阻随着形变而变化，在压敏电阻层11上还连接有数据连接线12，在柔性压阻薄膜压力传感器16的外表面设置有塑封薄膜13用于保护传感器。当压敏电阻层11形变时，内部导电物质将会更加靠近，使得电子的流通更加畅快，电阻下降，从而判断锂电池的鼓包或形变。电信号将由数据连接线12或无线数据发射器传送到检测装置。
在一些具体实施案例中，所述压敏电阻层11采用的是由3M公司所制造的Velostat/Linqstat。Velostat中包含导电性的炭黑的聚合物(聚烯烃)薄膜制成的包裝材料。当按压材料时，电阻会随着按压的力度而减小。所述Velostat压敏电阻有着每平方英尺500欧姆的电阻，比其他普通的压敏片更导电。
实施例3
本实施例与上述实施例的区别在于：根据锂电池制造的过程，电芯7在完成卷绕工艺后(即正极极片，隔离膜，负极极片按照顺序排放，利用机器将他们卷绕起来，组合成裸电芯7)，在将裸电芯7入壳之前，将柔性薄膜压力传感器卷绕并用胶带固定在电芯7曲面(如图3所示)。或者，如图1所示，在裸电芯7入壳之前，将柔性薄膜压力传感器提前粘贴到锂电池外壳1内壁上。紧接着，我们需要将电解液加入到电芯7中，并将电芯7完全封住，并用于测试。由于电解液具有一定的腐蚀性，电芯7内部往往多采用橡胶制品薄膜来抵抗电解液的腐蚀性，而柔性传感器也大多采用PET等薄膜，非常适合电解液环境，利用上下双层PET塑封的传感器可以较好的解决电解液的腐蚀性难题。
如图5所示，为了避免传感器遭受电解液侵蚀和防止信号干扰，柔性压阻薄膜压力传感器16的上下表面分别采用PET上薄膜14和PET下薄膜15进行塑封，可以较好的解决电解液的腐蚀性难题。同时，柔性印刷传感器的厚度仅在微米大小，适合集成到电芯7内部。柔性薄膜压力传感器的个数可以是一个也可以是多个。
实施例4
参照图6和图7，本实施例与上述实施例的区别在于：所述从柔性压力薄膜传感器2延伸出来的数据连接线12，经由电芯7表面，通过安全阀19边缘，从正极盖18上的排气孔17延伸到锂电池外部。数据连接线12在工作时需从锂电池正极盖里拉出，而在不工作时可以藏入正极盖内。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种电芯内部集成柔性压力监测传感器的锂电池，其特征在于，包括：锂电池本体(3)和柔性压力薄膜传感器(2)，所述锂电池本体(3)包括电芯(7)和锂电池外壳(1)，所述柔性压力薄膜传感器(2)上连接有数据连接线(12)，所述柔性压力薄膜传感器(2)位于锂电池本体(3)内部，所述数据连接线(12)延伸至锂电池本体(3)外部。
2.根据权利要求1所述的电芯内部集成柔性压力检测传感器的锂电池，其特征在于：所述柔性压力薄膜传感器(2)设置在锂电池外壳(1)内壁上。
3.根据权利要求1所述的电芯内部集成柔性压力检测传感器的锂电池，其特征在于：所述柔性压力薄膜传感器(2)设置在电芯(7)表面。
4.根据权利要求1所述的电芯内部集成柔性压力检测传感器的锂电池，其特征在于：所述柔性压力薄膜传感器(2)为柔性压电薄膜压力传感器(9)。
5.根据权利要求4所述的电芯内部集成柔性压力检测传感器的锂电池，其特征在于：所述柔性压电薄膜压力传感器(9)包括基质(4)、电活性层(5)和叉指电极(6)，所述叉指电极(6)制作在基质(4)的表面，所述电活性层(5)制作在叉指电极(6)的表面。
6.根据权利要求5所述的电芯内部集成柔性压力检测传感器的锂电池，其特征在于：所述电活性层(5)材料为压电聚合物偏二氟乙烯。
7.根据权利要求1所述的电芯内部集成柔性压力检测传感器的锂电池，其特征在于：所述柔性压力薄膜传感器(2)为柔性压阻薄膜压力传感器(16)。
8.根据权利要求7所述的电芯内部集成柔性压力检测传感器的锂电池，其特征在于：所述柔性压阻薄膜压力传感器(16)包括上下两片金属薄膜层(10)和中间一层压敏电阻层(11)，所述压敏电阻层(11)的电阻随着形变而变化。
9.根据权利要求1所述的电芯内部集成柔性压力检测传感器的锂电池，其特征在于：所述压敏电阻层(11)包含导电性的炭黑的聚合物薄膜制成的包装材料。
10.根据权利要求1所述的电芯内部集成柔性压力检测传感器的锂电池，其特征在于：所述锂电池本体(3)正极处包括安全阀(19)和正极盖(18)上的排气孔(17)，所述数据连接线(12)经由电芯(7)表面，通过安全阀(19)边缘，从排气孔(17)延伸到锂电池本体(3)外部。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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