一种锂电池健康监测传感器阵列及其制备和测试方法技术

本发明专利技术提出了一种锂电池健康监测传感阵列及其制备和测试办法。本发明专利技术将压电/热释电薄膜与介电薄膜的功能相耦合，集成在安装有金属电极阵列的衬底上，能够将电池受到的由内外部影响造成的动态机械损伤、热损伤和准静态机械损伤实时准确地转换成电信号。其制备方法分为溶解搅拌，狭缝涂布，原位极化，电极沉积，粘合封装。测试办法分为机械损伤测试，热损伤测试，准静态机械损伤测试。该多功能传感阵列可以直接实现对锂离子电池运行状态下损伤的实时响应，定位，和可视化。这对于提供锂离子电池损坏的早期预警服务具有重要价值，可以避免由锂电池损伤而引起的大范围灾难性事故。锂电池损伤而引起的大范围灾难性事故。锂电池损伤而引起的大范围灾难性事故。

【技术实现步骤摘要】
一种锂电池健康监测传感器阵列及其制备和测试方法


[0001]本专利技术属于新能源电池工作状态传感监测
，具体涉及一种锂电池健康监测传感器阵列及其制备和测试方法。

技术介绍

[0002]在过去几十年内，石化能源的快速消耗导致了能源短缺及环境污染，促使了清洁、高效能源的广泛开发和应用。其中，锂离子电池以其功率密度高，环境污染低和使用寿命长等特点在电力电子，储能设备，交通运输等方面得到了广泛应用。然而，在锂电池工作过程中可能会受到外部影响(如下降、冲击、穿刺等)和内部反应(膨胀、过热)，导致其使用寿命下降，甚至引起火灾或爆炸等意外事故。因此，发展健康监测技术对于保障锂电池健康运行具有重要意义。
[0003]由于锂电池是一个复杂的化学系统，电池在运行过程中会受到多种因素的影响(如制造过程、内部活性物质、电极材料、工作环境等)。除此之外，锂电池是一种密封结构，其内部状态在运行过程中难以监测。目前的锂电池监测技术只能通过对电压、平衡电流、内阻、温度等特征参数的比较对锂电池健康状态做出评估和预测，无法对锂电池运行过程中的损伤做出实时的检测和定位。虽然还开发了电化学模型和算法来分析电池运行状态的特征参数，但它们通常需要大量的支持数据，并且只适用于一种或几种特定类型的电池。
[0004]因此，现有对锂电池的健康监测技术无法实现对电池损坏的实时检测和定位，使得锂电池在运行过程中的安全性只得到了有限的提高。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种锂电池健康监测传感器阵列及其制备和测试方法，目的是为了实现对锂电池在运行过程中所受损伤进行实时响应、定位和可视化。
[0006]为了实现以上目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供了一种锂电池健康监测传感器阵列，其至少包括：具有压电和热释电效应的聚偏氟乙烯
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三氟乙烯聚酰亚胺传感阵列(PVDF
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TrFE/PI)：其包括安装有金属电极阵列的聚酰亚胺基板，所述聚酰亚胺基板上通过极化过程贴附有聚偏氟乙烯
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三氟乙烯电子薄膜，所述聚偏氟乙烯
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三氟乙烯电子薄膜的顶部通过磁控溅射法沉积有银电极，用于响应和量化锂电池在运行过程中的各种动态的机械损伤和热损伤；具有介电效应的聚偏氟乙烯
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三氟乙烯电容薄膜晶体管传感阵列：其包括安装有金属电极阵列的电容薄膜晶体管基板，所述电容薄膜晶体管基板上贴附有聚偏氟乙烯
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三氟乙烯电子薄膜，用于响应和量化锂电池在运行过程中的准静态机械损伤。
[0007]优选的，具有压电和热释电效应的聚偏氟乙烯
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三氟乙烯聚酰亚胺传感阵列在制造时需要经过极化过程，具有介电效应的聚偏氟乙烯
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三氟乙烯电容薄膜晶体管传感阵列
在制造时不需要经过极化过程。
[0008]优选的，具有压电和热释电效应的聚偏氟乙烯
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三氟乙烯聚酰亚胺传感阵列使用双电极结构，具有介电效应的聚偏氟乙烯
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三氟乙烯电容薄膜晶体管传感阵列使用单电极结构。
[0009]作为进一步优选的实施方案，本专利技术还提供以上所述的锂电池健康监测传感器阵列的制备方法，包括以下步骤：步骤1)、制备聚偏氟乙烯
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三氟乙烯溶液：将聚偏氟乙烯
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三氟乙烯粉末与丁酮按质量比1：10均匀混合，室温密封条件下采用搅拌装置搅拌一定时间形成均匀分散的溶液；步骤2)、制备聚偏氟乙烯
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三氟乙烯聚酰亚胺传感阵列(PVDF
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TrFE/PI阵列)：采用狭缝涂布工艺，将步骤1)中均匀分散的溶液均匀涂布在安装了金属电极阵列的聚酰亚胺基板上，然后，将其放置在真空烤箱，使溶剂蒸发，形成5～50um厚的聚偏氟乙烯
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三氟乙烯薄膜；之后在140℃下退火1小时，并自然冷却到25℃，再采用极化设备对聚偏氟乙烯
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三氟乙烯薄膜进行极化处理，最后采用磁控溅射法在极化处理后的聚偏氟乙烯
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三氟乙烯薄膜上表面沉积银电极；步骤3)、制备聚偏氟乙烯
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三氟乙烯电容薄膜晶体管传感阵列：同样采用狭缝涂布工艺，取步骤1)中均匀分散的聚偏氟乙烯
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三氟乙烯溶液，均匀涂布在安装了金属电极阵列的电容薄膜晶体管基板上，然后，将其放置在真空烤箱，使溶剂蒸发，形成5～50um厚的聚偏氟乙烯
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三氟乙烯薄膜；之后，在140℃下退火1小时，并自然冷却到25℃即可；步骤4)、拼接和封装：将聚偏氟乙烯
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三氟乙烯聚酰亚胺传感阵列背面与聚偏氟乙烯
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三氟乙烯电容薄膜晶体管传感阵列背面通过双面胶进行粘合，然后在贴合的两阵列的两侧安装金属电极，并用环氧树脂材料制成的薄膜贴附于粘合后形成的传感器的表面，以对其进行封装，初步制成锂电池健康监测传感器阵列；步骤5)、测试：对初步制成的锂电池健康监测传感器阵列进行薄膜参数测量和传感器损伤测试，得到符合要求的传感器阵列，即为最终制备的锂电池健康监测传感器阵列。
[0010]优选的，极化过程中采用原位极化方法进行极化。
[0011]与现有技术相比，本专利技术至少具备有以下有益效果：1、集成了PVDF
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TrFE/PI和PVDF
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tRFE/TFT的多功能锂离子电池健康监测阵列传感器(LBHMAS)，可以同时实现对锂离子电池运行状态下机械损伤、热损伤、准静态机械损伤的直接实时响应、定位和可视化。其中，压电和热释电PVDF
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TrFE/PI传感阵列用于响应和定位各种动态的机械损伤和热损伤，而介电PVDF
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TrFE/TFT传感阵列则用于响应和定位准静态机械损伤，并对损伤进行可视化；2、传感器复合电子薄膜贴附于安装有金属电极阵列的PI和TFT基板上，利用该金属阵列中不同位置电极对于电池损伤产生的电信号的差异和大小，可以实现对锂离子电池在运行状态下损伤位置的定位，将介电薄膜与薄膜晶体管和逻辑读出电路相结合，可以实现对准静态机械损伤的可视化，其可视化分辨率可达50um；
3、该传感器阵列中PVDF
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TrFE/PI层进行了原位极化处理。该极化处理方法可以在5min内完成，与其他极化办法相比，时间大幅缩小。并且，在大面积热释电聚合物的均匀制备生产规模下，该极化办法可以保证电子薄膜阵列良好和稳定地能量收集性能，使得传感器可以被高效地制造；4、该传感器阵列对于外力冲击，温度以及膨胀力等损伤因素具有良好地线性响应，可为锂电池损伤早期预警服务提供充足数据支撑，对于减少锂电池意外事故具有重要意义。
附图说明
[0012]在下文中将基于实施例并参考附图来对本专利技术进行更详细的描述。其中：图1显示了本专利技术的传感器阵列的制造工艺流程图；图2显示了本专利技术进行机械损伤、热损伤测试方法的流程示意图；图3显示了本专利技术准静态机械损伤测试方法的流程示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂电池健康监测传感器阵列，其特征在于，其至少包括：具有压电和热释电效应的聚偏氟乙烯
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三氟乙烯聚酰亚胺传感阵列：其包括安装有金属电极阵列的聚酰亚胺基板，所述聚酰亚胺基板上通过极化过程贴附有聚偏氟乙烯
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三氟乙烯电子薄膜，所述聚偏氟乙烯
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三氟乙烯电子薄膜的顶部通过磁控溅射法沉积有银电极，用于响应和量化锂电池在运行过程中的各种动态的机械损伤和热损伤，并对损伤进行定位；具有介电效应的聚偏氟乙烯
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三氟乙烯电容薄膜晶体管传感阵列：其包括安装有金属电极阵列的电容薄膜晶体管基板，所述电容薄膜晶体管基板上贴附有聚偏氟乙烯
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三氟乙烯电子薄膜，用于响应和量化锂电池在运行过程中的准静态机械损伤，并对损伤进行定位和可视化。2.如权利要求1所述的一种锂电池健康监测传感器阵列，其特征在于，所述具有压电和热释电效应的聚偏氟乙烯
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三氟乙烯聚酰亚胺传感阵列在制造时需要经过极化过程，所述具有介电效应的聚偏氟乙烯
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三氟乙烯电容薄膜晶体管传感阵列在制造时不需要经过极化过程。3.如权利要求1所述的一种锂电池健康监测传感器阵列，其特征在于，具有压电和热释电效应的聚偏氟乙烯
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三氟乙烯聚酰亚胺传感阵列使用双电极结构，具有介电效应的聚偏氟乙烯
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三氟乙烯电容薄膜晶体管传感阵列使用单电极结构。4.权利要求1至3之一项所述的一种锂电池健康监测传感器阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)、制备聚偏氟乙烯
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三氟乙烯溶液；步骤2)、制备具有压电和热释电效应的聚偏氟乙烯
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三氟乙烯聚酰亚胺传感阵列；步骤3)、制备具有介电效应的聚偏氟乙烯
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三氟乙烯电容薄膜晶体管传感阵列；步...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙启皓，胡潇然，张语芯，司致远，黎雨桐，慎戈斐，李辰骏，李旭，向勇，张晓琨，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：