一种薄膜传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种基于柔性印刷电路阳极集流体的锂离子电池压力和温度监测薄膜传感器，涉及电池传感器领域，包括由下到上的电极材料、集流体、传感层和高分子聚合物涂层，该微型薄膜传感器被集成在电池内部，可以直接、实时地监测电池内部的机械和热损伤，而不会干扰电池的工作，对电池故障提供了充分的预警，可以防止其引起的大范围事故和灾难性故障，显著提高电池的安全性能。提高电池的安全性能。提高电池的安全性能。

【技术实现步骤摘要】
一种薄膜传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于电池传感器
，特别地涉及一种薄膜传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]与石油、天然气等一次性能源相比，锂电池因其功率密度高、使用寿命长、对环境的影响相对较低而受到了相当大的关注，从而在移动设备、电动汽车、生物医学设备中得到了广泛的应用。
[0003]锂离子电池(LIBs)是复杂的电化学系统，其运行过程中的健康状态、安全性和寿命直接或间接地受到生产工艺、电极材料、工作环境等运行过程中的因素的影响。电池材料在使用过程中的老化严重影响电池的安全性，会导致电池局部过热或压力突然增大。外部影响，如过充过放电、撞击、跌落、穿刺、挤压等，也可能引起问题，包括电池内部短路和鼓胀，导致电池内部温度和压力突然升高。这两种情况都会对电池的结构造成不可修复的损坏，并产生安全问题。此外，随着电池尺寸和容量的增加，它们在温度分布上面临着相当大的不均一性，并伴有内部鼓包现象。电池温度的突然升高和胀形现象甚至可能引发严重的安全事故，近年来电池自燃或爆炸引起的事故越来越多。
[0004]锂电池通常采用密封结构。在此类电池的整个生命周期中，使用时会发生电/化学/力/ 热的多场耦合相互作用。因此，电池内部力学和温度参数的原位表征对于管理电池的安全性至关重要。
[0005]作为密封系统，大型传感器装置无法嵌入电池中监测其安全性能，传感器通常被放置在电池的外表面，无法直接监测电池内部环境的变化。之前的研究也使用了电化学模型和算法来分析电池运行过程中检测到的电性能特征参数，但它们通常需要大量的支持数据。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的以上问题，本专利技术提供了一种薄膜传感器及其制备方法，目的是为了在不干扰电池正常工作的情况下实现对电池内部的机械和热损伤的直接、实时监测，以更精准地对电池故障提供预警，防止其引起大范围事故和灾难性故障，显著提高电池的安全性能。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于柔性印刷电路阳极集流体的锂离子电池压力和温度监测薄膜传感器，其包括由下到上依次设置的电极材料层、集流体层、传感层和高分子聚合物涂层，其中，所述电极材料层的材料为柔性石墨，所述集流体层由作为基板的聚酰亚胺与电镀铜复合制成，所述传感层被集成在集流体层上，所述传感层由压电和热释电的聚偏氟乙烯
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三氟乙烯材料制成，所述高分子聚合物涂层和用于监测压力、温度的所述传感层均通过刻蚀和/或涂覆的方式形成在集流体层的电镀铜层上。
[0008]优选的，所述集流体层以轻质的经界面改性后的聚酰亚胺作为支撑体，在其两面
复合电镀形成超薄电镀铜层。
[0009]进一步优选的，所述集流体层一侧的超薄电镀铜层的中心区域蚀刻形成有两个不相连的不同尺寸的传感器电极垫，并分别连接两根铜信号引线。
[0010]进一步优选的，形成有传感器电极垫的一侧位于远离电极材料层的一侧。
[0011]优选的，所述聚偏氟乙烯
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三氟乙烯材料以薄膜的形式覆盖在尺寸较大的传感器电极垫上，用导电铜箔带将聚偏氟乙烯
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三氟乙烯薄膜和两个传感器电极垫中尺寸较小的电极垫上连接起来；并且其中，聚偏氟乙烯
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三氟乙烯薄膜在长度和宽度方向上均比焊盘稍大。
[0012]优选的，聚偏氟乙烯
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三氟乙烯薄膜由聚偏氟乙烯
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三氟乙烯溶液经过退火工艺以及原位极化处理形成，原位极化所采用的系统主要由一个电源、一个栅极和一个旋转基板组成，其电源的探针线阵列包括12根间隔为50毫米的平行导线。
[0013]优选的，与传感器电极垫相连的两根铜信号引线利用高分子聚合物涂层进行保护，该高分子聚合物涂层为聚酰亚胺膜。
[0014]作为进一步优选的实施方案，本专利技术还提供了一种薄膜传感器的制备方法，用于制备前述的基于柔性印刷电路阳极集流体的锂离子电池压力和温度监测薄膜传感器，其包括如下步骤：步骤1、在聚酰亚胺基板的两侧镀上超薄电镀铜层，并在一侧超薄电镀铜层的中心区域蚀刻两个传感器电极垫；所述两个电极垫是不相连的不同尺寸的正方形；步骤2、分别用铜信号引线连接两个传感器电极垫，并分别用聚酰亚胺膜保护，以捕捉温度和压力信号；步骤3、将聚偏氟乙烯
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三氟乙烯溶液逐滴均匀涂覆在两个传感器电极垫中尺寸较大的电极垫上，并在真空烘箱中蒸发，形成聚偏氟乙烯
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三氟乙烯薄膜；步骤4、将所述聚偏氟乙烯
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三氟乙烯薄膜退火并冷却后，进行原位极化处理；步骤5、用导电铜箔带将所述聚偏氟乙烯
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三氟乙烯薄膜和两个传感器电极垫中尺寸较小的电极垫上连接起来，初步得到基于压电和热释电效应的薄膜传感器主体，然后在其上涂上聚酰亚胺胶形成高分子聚合物涂层；步骤6、将石墨、羧甲基纤维素、丁苯橡胶粘结剂按一定重量比混合，然后通过叶片涂层制备技术作用于传感器下侧的基于柔性印刷电路的铜集流体表面，以制备阳极电极；步骤7、将LiCoO2粉末、炭黑、聚偏氟乙烯粘结剂按一定重量比混合，然后通过叶片涂层制备技术将其涂覆于铝箔上，以制备阴极电极；利用制备的阳极电极和阴极电极进行电池封装，由此获得所述基于柔性印刷电路阳极集流体的锂离子电池压力和温度监测薄膜传感器。
[0015]优选的，步骤6和步骤7中的一定重量比均优选为8:1:1。
[0016]与现有技术相比，本专利技术至少具备有以下有益效果：1.压电和热释电的PVDF
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TrFE材料拥有敏感的垂直动态力响应和热释电特性，能将动态力学和热信号共同地实时转换为电信号，传感器基于此材料可实时响应动态机械、热损伤，显著提高了锂离子电池故障的预警速度；2.通过将微型薄膜传感器集成在电池内部，可以直接监测电池内部的机械和热损伤，显著提高传感器精准性，对电池故障提供了充分的预警，显著提高电池的安全性能；
3.采用聚酰亚胺作为基底电镀超薄金属层，制备出高性能新型轻质复合集流体，使锂离子电池在能量密度、电池重量、安全性能同时实现了明显的优化；4.在基于柔性印刷电路(FPC)的阳极集流体上实现了多参量微型薄膜传感器一体化集成，采用精密涂布、印制电子和耐候封装等工艺技术，大大减小了植入性传感器对锂离子电池速率和循环特性的负面影响；5.可通过传感器阵列定位压力和温度升高位置，进一步提高电池运行安全性，为更精准高效的电池安全管理系统奠定理论基础。
附图说明
[0017]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为LBPTMS制造工艺流程图；图2为与LBPTMS集成的电池示意图；图3为基于FPC一侧涂覆PVDFTrFE薄膜的LBPTMS的横截面和顶视图；图4为压力测试平台示意图；图5为LBPTMS的结构和压力响应原理图；图6为集成在电池内的LBPTMS的压力响应信号图；图7为集成在电池内的LBPTMS的响应信号和力之间的关系曲线图；图8为未封装在电池中的微传感器的压力响应信号图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于柔性印刷电路阳极集流体的锂离子电池压力和温度监测薄膜传感器，其特征在于，其包括由下到上依次设置的电极材料层、集流体层、传感层和高分子聚合物涂层，其中，所述电极材料层的材料为柔性石墨，所述集流体层由作为基板的聚酰亚胺与电镀铜复合制成，所述传感层被集成在集流体层上，所述传感层由压电和热释电的聚偏氟乙烯
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三氟乙烯材料制成，所述高分子聚合物涂层和用于监测压力、温度的所述传感层均通过刻蚀和/或涂覆的方式形成在集流体层的电镀铜层上。2.根据权利要求1所述的一种基于柔性印刷电路阳极集流体的锂离子电池压力和温度监测薄膜传感器，其特征在于，所述集流体层以轻质的经界面改性后的聚酰亚胺作为支撑体，在其两面复合电镀形成超薄电镀铜层。3.根据权利要求2所述的一种基于柔性印刷电路阳极集流体的锂离子电池压力和温度监测薄膜传感器，其特征在于，所述集流体层一侧的超薄电镀铜层的中心区域蚀刻形成有两个不相连的不同尺寸的传感器电极垫，并分别连接两根铜信号引线。4.根据权利要求3所述的一种基于柔性印刷电路阳极集流体的锂离子电池压力和温度监测薄膜传感器，其特征在于，形成有传感器电极垫的一侧位于远离电极材料层的一侧。5.根据权利要求4所述的一种基于柔性印刷电路阳极集流体的锂离子电池压力和温度监测薄膜传感器，其特征在于，所述聚偏氟乙烯
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三氟乙烯材料以薄膜的形式覆盖在两个传感器电极垫中尺寸较大的传感器电极垫上，用导电铜箔带将聚偏氟乙烯
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三氟乙烯薄膜和两个传感器电极垫中尺寸较小的电极垫连接起来。6.根据权利要求5所述的一种基于柔性印刷电路阳极集流体的锂离子电池压力和温度监测薄膜传感器，其特征在于，聚偏氟乙烯
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三氟乙烯薄膜由聚偏氟乙烯
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三氟乙烯溶液经过退火工艺以及原位极化处理形成，原位极化所采用的系统主要由一个电源、一个栅极和一个旋转基板组成，其电源的探针线阵列包括12根间隔为50毫米的平行导线。...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙启皓，胡潇然，黎雨桐，张语芯，慎戈斐，司致远，李旭，李辰骏，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：