CN115855324A - 一种检测锂电池电芯膨胀的薄膜压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测锂电池电芯膨胀的薄膜压力传感器及其制备方法。其中所述传感器包括，从外至内，从上至下依次包括：封装层、隔绝层、敏感层、共面叉指电极；其中，所述敏感层具有靠近所述共面叉指电极的侧表面，所述侧表面的部分与共面叉指电极固接；还包括：微结构阵列，所述微结构阵列设置于所述侧表面未与所述共面叉指电极固接的部分，所述微结构阵列包括呈放射状结构布置的多个微结构。本发明提供的传感器通过创新的结构形式，具有信号稳定、耐腐蚀、温漂抑制等特点，制造工艺简单，适合大规模化生产，可应用于车载动力电池的实况检测，能够实现锂电池运行过程的内部信息采集和安全监控。

Description

一种检测锂电池电芯膨胀的薄膜压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种检测锂电池电芯膨胀的薄膜压力传感器及其制备方法。

背景技术

动力锂电池具有能量密度高，工作电压高、电流大等特点，可广泛应用在新能源汽车、高端装备和飞行器等领域，是构成绿色高效生活方式的重要基础。锂电池内部的电化学反应与对外表达形式高度复杂，准确获取内部物理参数，实时掌握电池工作状态，是高效电池开发设计与高安全性运行的关键。

锂电池运行过程中随着锂离子在正负极上的脱嵌行为，不可逆膨胀会随着循环次数的增加而不断积累，可能会导致枝晶、析锂等问题出现，其过程伴随着电解液的消耗和不可逆化合物的生成。电极膨胀行为可以反映内部结构的演变过程，包含着丰富的信息，对预测电池寿命具有重要意义。获取电池电芯和极片的膨胀信息，对全面深刻理解锂电池运行模式，优化电池材料选择，实现高效安全运行具有重要作用；同时也能监控电池能量转换状态，为电池管理系统(BMS)提供重要信息，进一步提高锂电池在运行阶段的安全性、高效性及稳定性。然而由于传感手段缺乏，上述内部压力信息仍然缺失，其内部状态及机理耦合对于人们来说还是一个黑箱。利用嵌入式传感器来获取电池内部的力学信息来增强电池管理是具有巨大潜力。

相比于光纤传感器、传统硬质传感器，薄膜传感器由于不会导致锂电池应力集中析锂、低成本、材料可设计等特点使其成为嵌入锂电池的新选择，薄膜传感器能搭载金属材料、半导体材料和高分子聚合物制成温度、压力、应变等传感器，具有应用在电池内部狭小空间的巨大潜力，其后端采集电路简单、成本低，方案成熟，引线方便，是一种经济有效的嵌入式传感方案。但现有的传感器如CN114914516A电芯内部集成柔性压力监测传感器的锂电池，该传感器采用不包含微结构的敏感层的压力传感器，在使用过程中会出现量程不足的问题，降低了测量准确性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种能准确检测锂电池电芯膨胀信息的薄膜压力传感器及其制备方法，能够提高锂电池运行阶段的安全性、高效性及稳定性。

根据本发明的一个方面，提供一种检测锂电池电芯膨胀的薄膜压力传感器，包括：从外至内，从上至下依次包括：封装层、隔绝层、敏感层、共面叉指电极；其中，所述敏感层具有靠近所述共面叉指电极的侧表面，所述侧表面的部分与共面叉指电极固接；其特征在于，还包括：

微结构阵列，所述微结构阵列设置于所述侧表面未与所述共面叉指电极固接的部分，所述微结构阵列包括呈放射状结构布置的多个微结构。

在上述技术方案中，微结构的目的在于提高传感器量程。现有的薄膜传感器在电芯中的应用容易出现量程不足的问题，量程的不足容易导致无法测量到电池在后期运行过程中产生的大压力。而大压力往往是该领域内所关注的要点。大压力可能会引起内部极片的损坏，短路等问题，是电池安全需要关注的重点。敏感层是柔性的薄膜，由于面积与厚度的比值较大，在受到压力作用时会出现大范围塌陷，因此先在四周布置较高的微结构作为承压结构，随后根据在塌陷较大的位置增补微结构。因此呈现出目前四周、中间高，其余地方较低的分布。本案从敏感层的易塌陷位置切入，建立了沿放射方向平均高度从高到低再到高的布局方式，可以满足敏感层的长期服役，提高薄膜压力传感器的使用寿命，减缓敏感层的过度变形，从而提高其量程，同时降低制造的成本更加满足实际的使用需求。相较于现有技术如CN112033582B具有微结构的柔性压力传感器等直接在敏感层铺设满微结构的方式相比，本案采用这种结构可以更高效设计微结构位置，避免过多的微结构在大压力下带来变形饱和的问题。针对性地设计微结构的数量和位置，可以避免数量过多的微结构在与叉指电极接触时存在的负优化的可能。此外本设计考虑到加工的难度和精度，未采用铺满设计，也可以防止微结构在变形后期存在的变形相互干涉的可能。

在一些实施例中，所述微结构的尺寸为毫米级及以下；和/或，所述微结构是穹顶微结构、金字塔微结构、圆柱微结构三者中的至少一种。。

在上述技术方案中，所述微结构的尺寸为毫米级、微米级、纳米级；微结构组成的阵列可以为穹顶微结构、金字塔微结构、圆柱微结构三者中的一种结构组成，或者三者中的至少两种结构任意组合，三者中的至少两种结构任意组合可以但不限于是：穹顶微结构和金字塔微结构的混合组成，金字塔微结构和圆柱微结构的混合组成，穹顶微结构和圆柱微结构的混合组成，或者穹顶微结构和金字塔微结构和圆柱微结构混合组成。这样设置的目的在于锂电池的形状、尺寸各不相同，电极膨胀行为也各不相同，不同的尺寸设置和形状设置可以满足不同的锂电池嵌入检查需求。

在一些实施例中，在所述微结构阵列中，沿放射方向，多个所述微结构的平均高度从高到低再到高布局。

在上述技术方案中，本案从敏感层的易塌陷位置切入，建立了沿放射方向平均高度从高到低再到高的布局方式，可以满足敏感层的长期服役，提高薄膜压力传感器的使用寿命，减缓敏感层的过度变形，从而提高其量程，同时降低制造的成本更加满足实际的使用需求。相较于现有技术如CN112033582B具有微结构的柔性压力传感器等直接在敏感层铺设满微结构的方式相比，本案采用这种结构可以更高效设计微结构位置，避免过多的微结构在大压力下带来变形饱和的问题。针对性地设计微结构的数量和位置，可以避免数量过多的微结构在与叉指电极接触时存在的负优化的可能。此外本设计考虑到加工的难度和精度，未采用铺满设计，也可以防止微结构在变形后期存在的变形相互干涉的可能。

在一些实施例中，所述微结构阵列包括第一微结构，所述第一微结构包括多个所述微结构，所述第一微结构中的每个所述微结构的高度均为70-90μm；

和/或，

所述微结构阵列包括第二微结构，所述第二微结构包括多个所述微结构，所述第二微结构中的每个所述微结构的高度均为30-50μm；

和/或，

所述微结构阵列包括第三微结构，所述第三微结构包括多个所述微结构，所述第三微结构中的每个所述微结构的高度均为10-20μm。

在上述技术方案中，高度的取值是结合仿真设计所获得，与敏感层的变形特性相关。由于敏感层会出现塌陷的情况，微结构的高度越高塌陷越多，所以高度的选择是与塌陷程度适配，在上述高度范围内，可以最大程度的优化敏感层的塌陷情况。此外也考虑到加工精度的问题，因此选用这个组合。

在一些实施例中，所述微结构阵列包括第一、第二以及第三，且三个微结构中的多个微结构均间隔布置。

在上述技术方案中，针对性地设计微结构的数量和位置，可以避免数量过多的微结构在与叉指电极接触时存在的负优化的可能。此外本设计考虑到加工的难度和精度，未采用铺满设计，也可以防止微结构在变形后期存在的变形相互干涉的可能。

在一些实施例中，所述敏感层由柔性聚合物和非金属或金属导电填料组合构成；和/或，所述隔绝层为柔性薄膜；和/或，所述隔绝层通过耐腐蚀环氧树脂与共面叉指电极固接。

在上述技术方案中，敏感层由柔性聚合物和非金属或金属导电填料组合构成具有良好温度抑制性能的敏感层材料；设置隔绝层的目的在于保护敏感层，止传感器的后续制造工艺(比如气相沉积耐腐蚀层)对与敏感层的影响。进一步提升敏感层抵抗外界干扰的能力。同时由于敏感层位置的结构层次较多，因此选择使用耐腐蚀环氧树脂进一步保证防止电解液渗透的能力，同时环氧树脂具有一定硬度，防止共面叉指电极发生卷曲

在一些实施例中，所述共面叉指电极包括基底和电极组成；所述基底厚度为10-30μm；和/或，所述电极包括设置于基底的厚度为10-15μm铜层；和/或，设置于铜层表面的厚度为80-120nm金层。

在上述技术方案中，上述厚度的设计在于提高共面叉指电极的量程。

在一些实施例中，所述隔绝层厚度为4-8μm；和/或，所述封装层厚度为8-10μm；和/或，所述侧表面通过连接层与所述共面叉指电极固接，所述连接层由柔性聚合物溶液溶解敏感层所形成。

在上述技术方案中，隔绝层用于保护敏感层，但隔绝层太厚会减低传感器的灵敏度，因此设定上述厚度范围可以最大程度避免隔绝层对灵敏度的影响，同时也能提供保护。

根据本发明的另一个方面，提供一种检测锂电池电芯膨胀的薄膜压力传感器的制备方法，方法包括：

在敏感层上形成微结构阵列，所述微结构阵列包括呈放射状结构布置的多个微结构；

将封装层、隔绝层、敏感层和共面叉指电极从外至内，从上至下依次组装得到薄膜压力传感器，且敏感层具有靠近所述共面叉指电极的侧表面，所述侧表面的部分与共面叉指电极固接，所述微结构阵列设置于所述侧表面未与所述共面叉指电极固接的部分。

在上述技术方案中，制备的薄膜压力传感器的电阻输出信号随外加压力的改变而发生变化。制造工艺简单，适合大规模化生产，可应用于车载动力电池的实况检测。

在一些实施例中，将柔性聚合物与导电填料配制成为前驱体溶液；将所述前驱体溶液使用丝网印刷、刮涂法在模具固化形成一包含微结构阵列的敏感层薄膜。

在上述技术方案中，柔性聚合物与导电填料制备的薄膜具备温度抑制的效果，同时利用丝网印刷、刮涂法在模具固化形成一包含微结构阵列的敏感层薄膜可以保证制造精度，同时工艺简单，适合大规模量产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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是检测锂电池电芯膨胀的薄膜压力传感器在锂电池电芯中的布置图

图2是检测锂电池电芯膨胀的薄膜压力传感器实施例的内部结构示意图；

图3是检测锂电池电芯膨胀的薄膜压力传感器实施例的整体结构示意图；

图4是检测锂电池电芯膨胀的薄膜压力传感器实施例的微结构阵列示意图；

图5是现有技术中敏感层和叉指电极连接示意图；

图6是检测锂电池电芯膨胀的薄膜压力传感器实施例敏感层和叉指电极连接示意图；

图7是检测锂电池电芯膨胀的薄膜压力传感器的制备方法流程示意图；

图8是检测锂电池电芯膨胀的薄膜压力传感器的制备方法实施例流程示意图；

图9是检测锂电池电芯膨胀的薄膜压力传感器的制备方法实施例的薄膜压力传感器的信号输出与所受压力之间的关系图；

图10是检测锂电池电芯膨胀的薄膜压力传感器的制备方法实施例的薄膜压力传感器的信号输出与所受温度之间的关系图；

图中：封装层1、隔绝层2、敏感层3、敏感层边缘31、微结构阵列32、第一微结构321、第二微结构322、第三微结构323、连接层33、共面叉指电极4、基底41、电极42、引线43。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1是压力传感器测量电芯的膨胀的示意图；将传感器布置在锂电池电芯的最外层，电池外壳的内层，并用耐腐蚀粘胶固定，电极引线43从锂电池顶盖的预留接口引出，接入数据采集电路。锂电池在充放电循环过程中，电芯不断膨胀并挤压电池外壳内壁，传感器的受电芯与外壳之间的挤压，导致敏感层3与共面叉指电极4接触增多，接触电阻减小，经过标定转换从而得到压力的大小。但现有的传感器如CN114914516A电芯内部集成柔性压力监测传感器的锂电池，该传感器采用不包含微结构的敏感层的压力传感器，在使用过程中会出现量程不足的问题，降低了测量准确性。

有鉴于此，本发明在敏感层3中引入放射布置的微结构阵列32。微结构阵列32包括呈放射状结构布置的多个微结构。得益于敏感层内放射布置的微结构阵列设计，传感器在提升量程的同时保证了灵敏度；本案从敏感层的易塌陷位置切入，建立了沿放射方向平均高度从高到低再到高的布局方式，可以满足敏感层的长期服役，提高薄膜压力传感器的使用寿命，减缓敏感层的过度变形，从而提高其量程，同时降低制造的成本更加满足实际的使用需求。相较于现有技术如CN112033582B具有微结构的柔性压力传感器等直接在敏感层铺设满微结构的方式相比，本案采用这种结构可以更高效设计微结构位置，避免过多的微结构在大压力下带来变形饱和的问题。针对性地设计微结构的数量和位置，可以避免数量过多的微结构在与叉指电极接触时存在的负优化的可能。此外本设计考虑到加工的难度和精度，未采用铺满设计，也可以防止微结构在变形后期存在的变形相互干涉的可能。

请参见图2、图3，图2、图3是本发明检测锂电池电芯膨胀的薄膜压力传感器一实施例的结构示意图。

该传感器结构从外至内，从上至下依次包括：封装层1、隔绝层2、敏感层3、共面叉指电极4，其中，该敏感层3具有一表面，该表面与共面叉指电极4固接；

还包括：微结构阵列32，所述微结构阵列32设置于所述侧表面未与所述共面叉指电极固接4的部分，所述微结构阵列包括呈放射状结构布置的多个微结构。在所述微结构阵列32中，沿放射方向，多个所述微结构的平均高度从高到低再到高布局。

在上述技术方案中，本案从敏感层的易塌陷位置切入，建立了沿放射方向平均高度从高到低再到高的布局方式，可以满足敏感层的长期服役，提高薄膜压力传感器的使用寿命，减缓敏感层的过度变形，从而提高其量程，同时降低制造的成本更加满足实际的使用需求。相较于现有技术如CN112033582B具有微结构的柔性压力传感器等直接在敏感层铺设满微结构的方式相比，本案采用这种结构可以更高效设计微结构位置，避免过多的微结构在大压力下带来变形饱和的问题。针对性地设计微结构的数量和位置，可以避免数量过多的微结构在与叉指电极接触时存在的负优化的可能。此外本设计考虑到加工的难度和精度，未采用铺满设计，也可以防止微结构在变形后期存在的变形相互干涉的可能。

在本实施例中，所述微结构阵列32包括多个第一微结构321，所述第一微结构321包括多个所述微结构，所述第一微结构321中的每个所述微结构的高度均为70-90μm；

和/或，

所述微结构阵列包括第二微结构322，所述第二微结构322包括多个所述微结构，所述第二微结构322中的每个所述微结构的高度均为30-50μm；

和/或，

所述微结构阵列包括第三微结构323，所述第三微结构323包括多个所述微结构，所述第三微结构323中的每个所述微结构的高度均为10-20μm。

在本实施例中，高度的取值是结合仿真设计所获得，与敏感层的变形特性相关。由于敏感层会出现塌陷的情况，微结构的高度越高塌陷越多，所以高度的选择是与塌陷程度适配，在上述高度范围内，可以最大程度的优化敏感层的塌陷情况。此外也考虑到加工精度的问题，因此选用这个组合。

在本实施例中，设置微结构的目的在于提高传感器量程。现有的薄膜传感器在电芯中的应用容易出现量程不足的问题，如CN114914516A电芯内部集成柔性压力监测传感器的锂电池，该传感器采用不包含微结构的敏感层的压力传感器，在使用过程中会出现量程不足的问题。量程的不足容易导致无法测量到电池在后期运行过程中产生的大压力。而大压力往往是该领域内所关注的要点。大压力可能会引起内部极片的损坏，短路等问题，是电池安全需要关注的重点。

在本实施例中，所述微结构321、322、323的尺寸为毫米级、微米级、纳米级；微结构组成的阵列可以为穹顶微结构、金字塔微结构、圆柱微结构三者中的一种结构组成，或者三者中的至少两种结构任意组合，三者中的至少两种结构任意组合可以但不限于是：穹顶微结构和金字塔微结构的混合组成，金字塔微结构和圆柱微结构的混合组成，穹顶微结构和圆柱微结构的混合组成，或者穹顶微结构和金字塔微结构和圆柱微结构混合组成。

在本实施例中，所述微结构阵列包括第一、第二以及第三，且三个微结构中的多个微结构均间隔布置。这样设置的目的在于锂电池的形状、尺寸各不相同，电极膨胀行为也各不相同，不同的尺寸设置和形状设置可以满足不同的锂电池嵌入检查需求。同时大量程和灵敏度往往无法兼得，这三种结构可以在保证大压力量程的同时提升传感器的灵敏度，具体作用机制是：该结构可以在外部压力作用下变形，变形的结果可以使结构与电极之间的接触电阻发生改变。并且该三种微结构方便加工，几何形状简单，便于设计。

在本实施例中，采用微结构组成的阵列可以为穹顶微结构组成的阵列，请参阅图4，所述微结构包括第一微结构321、第二微结构322、第三微结构323，该第一微结构321高度为80μm，该第二微结构322高度为50μm，该第三微结构323高度为20μm，该取值的原因在于敏感层的厚度由于该传感器的应用场景受到限制，需要限制在80微米以下，该高度的取值是结合仿真设计所获得，与敏感层的变形特性相关。由于敏感层会出现塌陷的情况，微结构的高度越高塌陷越多，所以高度的选择是与塌陷程度适配，在上述高度范围内，可以最大程度的优化敏感层的塌陷情况。此外也考虑到加工精度的问题，因此选用这个组合。且该微结构组成的阵列沿放射方向平均高度从高到低再到高布局。微结构的排布方式是依据仿真结果。敏感层是柔性的薄膜，由于面积与厚度的比值较大，在受到压力作用时会出现大范围塌陷，因此先在四周布置较高的微结构做为承压结构，随后根据在塌陷较大的位置增补微结构。因此呈现出目前四周、中间高，其余地方较低的分布。

在本实施例中，所述的沿放射方向的平均高度从高到低再到高布局，指的是：从中心开始向外辐射时，每圈微结构的高度平均值的变化。需要理解的是，这样设置的目的在于，一是微结构与电极的接触导致电阻的变化，整面的微结构在压力作用下就全部与电极接触了，很快达到了极限，高低不一的微结构可以在微结构受压的时候逐级依次增加接触，提高传感器的量程。二是薄膜传感器在长期服役过程中，敏感层3局部区域容易出现塌陷，进而影响压力传感器的准确采集。因此在实际中，传感器的长期服役应当作为更为主要的考虑因素。本案从敏感层的易塌陷位置切入，建立了沿放射方向平均高度从高到低再到高的布局方式，可以满足敏感层的长期服役，提高薄膜压力传感器的使用寿命，减缓敏感层的过度变形，从而提高其量程，同时降低制造的成本更加满足实际的使用需求。相较于现有技术如CN112033582B具有微结构的柔性压力传感器等直接在敏感层铺设满微结构的方式相比，本案采用这种结构可以更高效设计微结构位置，避免过多的微结构在大压力下带来变形饱和的问题。针对性地设计微结构的数量和位置，可以避免数量过多的微结构在与叉指电极接触时存在的负优化的可能。此外本设计考虑到加工的难度和精度，未采用铺满设计，也可以防止微结构在变形后期存在的变形相互干涉的可能。

在本实施例中，一连接层33，该连接层33通过柔性聚合物溶液溶解所述敏感层边缘31，并加热固化后在敏感层3与共面叉指电极4中间的间隙填充形成。请参阅图5、图6，现有技术如图5所示敏感层3是现成的膜贴敷在共面叉指电极4之上的，在敏感层3两侧设置限位点但无法牢固粘合。限位点常见方法是用胶带或者胶水将敏感层3贴在共面叉指电极4之上，但这两种方式都无法提供稳定的结构。原因在于胶带会具有粘滞力对结构会造成影响，而胶水会在敏感层3和共面叉指电极4之间引入一圈杨氏模量差异较大的结构，无法保证结构稳定，请参阅图5，现有的方案会导致敏感层3和共面叉指电极4左右容易滑移且粘合不够稳固。请参阅图6，本案的方法则是：敏感层3的边缘31被溶剂后再度固化，形成一层连接层33，此连接层33的上表面和敏感层3以溶化再固化的方式牢固粘合，下表面与共面叉指电极4的接触充分，因此也具有可靠的粘合。本案采用的溶剂是柔性聚合物溶液胶水由敏感层3的基底材料和其溶剂组成。

在本实施例中，胶水是由TPU和DMAc组成的，DMAc全称为二甲基乙酰胺，因为敏感层的基材也是TPU，因此这个胶水可以溶解敏感层。可在敏感层3和共面叉指电极4之间形成连接层33，为二者的组合提供稳定可靠的粘附。连接层33为柔性聚合物溶液胶水中溶剂挥发后与敏感层3部分溶解的基材所形成。连接层33与敏感层3具有相似的弹性模量，并且具有高结合强度，可以在传感器受压过程中提供与敏感层3相近的变形特性，避免传感器信号由于结构的模量不一致出现突变。同时连接层33和敏感层3之间的界面结合方式是溶解后固化，具有较高界面结合强度，避免其他胶水带来的界面失稳和弹性模量不一致的问题，同时可以避免其他胶水导致的弹性模量不一致的问题。

在本实施例中，所述隔绝层2为柔性薄膜，厚度为6μm，该柔性薄膜通过耐腐蚀环氧树脂与该共面叉指电极4固接。设置隔绝层的目的在于保护敏感层3。隔绝层2为PI、PET等柔性薄膜；由于耐腐蚀的封装层1是通过气相沉积的方式沉积在传感器的最外表面，若无隔绝层2，该耐腐蚀的封装层1会渗透进入敏感层3和共面叉指电极4的接触表面，导致传感器无法传感。隔绝层2的主要目的一是隔绝敏感层3，防止传感器的后续制造工艺(比如气相沉积耐腐蚀层)对与敏感层3的影响。二是进一步提升敏感层3抵抗外界干扰的能力，试想直接将耐腐蚀的封装层1沉积到敏感层3上，会导致敏感层3直接与物体接触，易损坏，同时噪声较多，因此需要隔绝层2隔绝，隔绝层2的存在会减低灵敏度，但在电池膨胀检测的应用中灵敏度不是关键因素，因此牺牲部分灵敏度来保证稳定性，且灵敏度的损失实际上也很小。同时由于敏感层3位置的结构层次较多，因此选择使用耐腐蚀环氧树脂进一步保证防止电解液渗透的能力，同时环氧树脂具有一定硬度，防止共面叉指电极4发生卷曲。

在本实施例中，所述敏感层由柔性聚合物和非金属或金属导电填料组合构成；敏感层3包括但不限于由PDMS、TPU、PI等柔性聚合物为基材，碳纳米管、石墨烯、银纳米线等非金属或金、银等金属导电填料组合构成。作为一种具体实施方式，本案中的敏感层3是由TPU、多壁碳纳米管以及石墨片组成而成的具有良好温度抑制性能的敏感层材料。须知，TPU、多壁碳纳米管以及石墨片的具体配比可以根据不同形状的电池以及量程需求进行设定，此处不再赘述。

在本实施例中，所述共面叉指电极4包括基底41和电极42组成；所述基底厚度为10-30μm；和/或，所述电极包括设置于基底的厚度为10-15μm铜层；和/或，设置于铜层表面的厚度为80-120nm金层。共面叉指电极的形状4包括但不限于矩形、圆形等，共面叉指电极中的单根电极为直线型或曲线型。

在本实施例中，所述隔绝层厚度为4-8μm；和/或，所述封装层厚度为8-10μm；和/或，所述侧表面通过连接层与所述共面叉指电极固接，所述连接层由柔性聚合物溶液溶解敏感层所形成。

可以发现，在本实施例中，

依据本发明涉及的检测锂电池电芯膨胀的嵌入式薄膜压力传感器及其制备方法，所制备的薄膜压力传感器的电阻输出信号随外加压力的改变而发生变化。该传感器通过创新的材料配制和结构形式，具有信号稳定、耐腐蚀、温漂抑制等特点，制造工艺简单，适合大规模化生产，可应用于车载动力电池的实况检测；得益于敏感层内微结构的设计，传感器在提升量程的同时保证了灵敏度；封装结构的设计使传感器的信号稳定性得到极大提升，同时可耐受强腐蚀性的电解液侵蚀，保证了在锂电池内部的长期稳定运行能力；因此为发明的嵌入式压力传感器能够实现对锂电池运行过程中的电极膨胀进行实时采集，为监控电池的运行状态提供重要信息。

参见图7，本发明还提出一种检测锂电池电芯膨胀的薄膜压力传感器的制备方法，包括：

在敏感层上形成微结构阵列，所述微结构阵列包括呈放射状结构布置的多个微结构；

将封装层、隔绝层、敏感层和共面叉指电极从外至内，从上至下依次组装得到薄膜压力传感器，且敏感层具有靠近所述共面叉指电极的侧表面，所述侧表面的部分与共面叉指电极固接，所述微结构阵列设置于所述侧表面未与所述共面叉指电极固接的部分。

具体的，请参阅图8，上述检测锂电池电芯膨胀的薄膜压力传感器的制备方法，包括：

步骤1：制备敏感层3，将柔性聚合物与导电填料配制成为前驱体溶液，使用丝网印刷、刮涂法在特定模具上固化成膜。

在本实施例中，所述敏感层包括但不限于由PDMS、TPU、PI等柔性聚合物为基材，碳纳米管、石墨烯、银纳米线等非金属或金、银等金属导电填料组合构成。本案中的敏感层3，由TPU和多壁碳纳米管以及石墨片组成获得温度抑制的敏感层材料。具体的配比可以根据不同形状的电池以及量程需求进行设定，此处不一一列举。

步骤2：制备共面叉指电极4，使用光刻、溅射、铜板刻蚀等方式在绝缘薄膜基底上制造出共面叉指电极4及其引线43。

步骤3：进行敏感层与电极的组装，使用柔性聚合物溶液胶水将敏感层部分边缘溶解后粘合在电极之上，并加热使溶剂挥发后固化。

在本实施例中，所述的柔性聚合物溶液胶水由敏感层的基底材料和其溶剂组成，可在敏感层和电极层之间形成连接层33，为二者的组合提供稳定可靠的粘附。所述连接层为柔性聚合物溶液胶水中溶剂挥发后与敏感层部分溶解的基材所形成。所述的连接层与敏感层具有相似的弹性模量，并且具有高结合强度，可以在传感器受压过程中提供与敏感层相近的变形特性，避免传感器信号由于结构的模量不一致出现突变。所述的连接层和敏感层之间的界面结合方式是溶解后固化，相比于用其他胶水具有更高的界面结合强度，同时可以避免其他胶水导致的弹性模量不一致的问题。

步骤4：进行第一次封装，将PI、PET等柔性薄膜为材料的隔绝层2用环氧树脂、有机硅等粘胶与共面叉指电极4粘合。

步骤5：进行高温老化，将传感器置于高温环境中进行后处理。

在本实施例中，所述高温老化步骤可以使聚合物材料内部的分子链重构，降低柔性聚合物材料在组装为一体之后内部的应力集中和结构不均匀性，从而降低其导致的信号不稳定。所述高温老化步骤将传感器在使用温度之上加热保温并随炉冷却，使传感器敏感层的初始电阻不受温度改变的特性。

步骤6：使用气相沉积进行第二次耐腐蚀封装，形成一封装层1。

上述步骤与上一实施例中检测锂电池电芯膨胀的薄膜压力传感器的结构一一对应，具体设置的目的、理由已在上文中叙述清楚，此处不再赘述。

进一步的，本实施例以具体案例进行说明，共面叉指电极4由20μm聚酰亚胺，以及在所述基底上的由12μm铜和100nm金构成的叉指状电极，敏感层3，由TPU和多壁碳纳米管以及石墨片组成的复合材料，固定在所述共面叉指电极4的上表面；隔绝层2，由6μm厚度的聚酰亚胺薄膜构成，用环氧树脂胶水粘覆在敏感层上表面；封装层1，为10μm厚的耐腐蚀聚合物材料，包裹在上述结构的最外层；敏感层3一侧的微结构形状为半球形，使用激光加工的PDMS模具倒模制成，高度依次为20μm、60μm、80μm，以图4所示的方式分布。请参阅图9、图10，图9为薄膜压力传感器的信号输出与所受压力之间的关系图，图10为薄膜压力传感器的信号输出与所受温度之间的关系图，本实施例制备的薄膜压力传感器的灵敏度为S＝20.76±1.27MPa^-1。从图中可以看出，薄膜压力传感器可检测电池的电芯膨胀，并抑制电池内部可能存在的温度变化对输出信号的影响。所制备的传感器量程范围广，稳定性高，不受电池高温影响，易于实现对锂电池运行过程中的电芯膨胀的检测。该薄膜压力传感器的制备工艺简单，适用于大规模化生产。

如图9所示方式，将传感器布置在锂电池电芯的最外层，电池外壳的内层，并用耐腐蚀粘胶固定，电极引线从锂电池顶盖的预留接口引出，接入数据采集电路。锂电池在充放电循环过程中，电芯不断膨胀并挤压电池外壳内壁，传感器的受电芯与外壳之间的挤压，导致敏感层与叉指电极接触增多，接触电阻减小，经过标定转换从而得到压力的大小。实施例涉及的检测锂电池电芯膨胀的嵌入式薄膜压力传感器及其制备方法请参阅图8。

依据本发明涉及的检测锂电池电芯膨胀的嵌入式薄膜压力传感器及其制备方法，所制备的薄膜压力传感器的电阻输出信号随外加压力的改变而发生变化。该传感器通过创新的材料配制和结构形式，具有信号稳定、耐腐蚀、温漂抑制等特点，制造工艺简单，适合大规模化生产，可应用于车载动力电池的实况检测；得益于敏感层内微结构的设计，传感器在提升量程的同时保证了灵敏度；封装结构的设计使传感器的信号稳定性得到极大提升，同时可耐受强腐蚀性的电解液侵蚀，保证了在锂电池内部的长期稳定运行能力；因此为发明的嵌入式压力传感器能够实现对锂电池运行过程中的电极膨胀进行实时采集，为监控电池的运行状态提供重要信息。

以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种检测锂电池电芯膨胀的薄膜压力传感器，从外至内，从上至下依次包括：封装层、隔绝层、敏感层、共面叉指电极；其中，所述敏感层具有靠近所述共面叉指电极的侧表面，所述侧表面的部分与共面叉指电极固接；其特征在于，还包括：

微结构阵列，所述微结构阵列设置于所述侧表面未与所述共面叉指电极固接的部分，所述微结构阵列包括呈放射状结构布置的多个微结构。

2.如权利要求1所述的一种检测锂电池电芯膨胀的薄膜压力传感器，其特征在于，所述微结构的尺寸为毫米级及以下；和/或，所述微结构是穹顶微结构、金字塔微结构、圆柱微结构三者中的至少一种。

3.如权利要求1所述的一种检测锂电池电芯膨胀的薄膜压力传感器，其特征在于，在所述微结构阵列中，沿放射方向，多个所述微结构的平均高度从高到低再到高布局。

4.如权利要求1或3所述的一种检测锂电池电芯膨胀的薄膜压力传感器，其特征在于，所述微结构阵列包括第一微结构，所述第一微结构包括多个所述微结构，所述第一微结构中的每个所述微结构的高度均为70-90μm；

和/或，

所述微结构阵列包括第二微结构，所述第二微结构包括多个所述微结构，所述第二微结构中的每个所述微结构的高度均为30-50μm；

和/或，

所述微结构阵列包括第三微结构，所述第三微结构包括多个所述微结构，所述第三微结构中的每个所述微结构的高度均为10-20μm。

5.如权利要求4所述的一种检测锂电池电芯膨胀的薄膜压力传感器，其特征在于，

所述微结构阵列包括第一、第二以及第三，且三个微结构中的多个微结构均间隔布置。

6.如权利要求1所述的一种检测锂电池电芯膨胀的薄膜压力传感器，其特征在于，所述敏感层由柔性聚合物和非金属或金属导电填料组合构成；和/或，所述隔绝层为柔性薄膜；和/或，所述隔绝层通过耐腐蚀环氧树脂与共面叉指电极固接。

7.如权利要求1所述的一种检测锂电池电芯膨胀的薄膜压力传感器，其特征在于，

所述共面叉指电极包括基底和电极组成；所述基底厚度为10-30μm；和/或，所述电极包括设置于基底的厚度为10-15μm铜层；和/或，设置于铜层表面的厚度为80-120nm金层。

8.如权利要求1所述的一种检测锂电池电芯膨胀的薄膜压力传感器，其特征在于，

所述隔绝层厚度为4-8μm；和/或，所述封装层厚度为8-10μm；和/或，所述侧表面通过连接层与所述共面叉指电极固接，所述连接层由柔性聚合物溶液溶解敏感层所形成。

9.一种检测锂电池电芯膨胀的薄膜压力传感器的制备方法，其特征在于包括：

在敏感层上形成微结构阵列，所述微结构阵列包括呈放射状结构布置的多个微结构；

将封装层、隔绝层、敏感层和共面叉指电极从外至内，从上至下依次组装得到薄膜压力传感器，且敏感层具有靠近所述共面叉指电极的侧表面，所述侧表面的部分与共面叉指电极固接，所述微结构阵列设置于所述侧表面未与所述共面叉指电极固接的部分。

10.如权利要求9所述的一种检测锂电池电芯膨胀的薄膜压力传感器的制备方法，其特征在于，

将柔性聚合物与导电填料配制成为前驱体溶液；将所述前驱体溶液使用丝网印刷、刮涂法在模具固化形成一包含微结构阵列的敏感层薄膜。

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