一种离子电池多参数集成装置及其制备方法与流程

本发明属于电池检测领域，具体涉及一种离子电池多参数集成装置及其测试方法。

背景技术：

锂离子电池具有能量密度高、比功率高、自放电率小、寿命长以及应用温度范围广、可快速充电、能量转换效率高、无环境污染等优点，在数码电子及动力电池等领域应用广泛。锂离子电池在充放电过程中会伴随着热量的产生，造成电池温度的上升及温度分布不均匀，进而电池内部的温度及锂离子浓度相关的各个参数分布均会受影响，从而加速电池的衰减。当电池温度高于60℃时，电池材料界面稳定性下降，循环过程副反应增加，电池性能变差，安全性降低，当电池温度继续升高或过充过放时，电解液会发生汽化或分解导致电池内部胀气，若热量进一步累积会发生热失控，进而引发起火、爆炸等安全事故。掌握锂离子电池最优运行工况并针对性制定应用策略可提高电池的可靠性、寿命及安全性，因此锂离子电池内部温度、电压、压力、应力的实时在线监测对电池性能以及应用边界的确定，机理的探究等发挥着至关重要的作用。

但是，目前市场上生产锂离子电池是密封的，电池内部并没有温度、电压、压力、应力检测的装置，因此电池内部各参数的准确获取很难。多数研究人员采用传统的方法将微型温度、压力或应力传感器单点或多点预埋入锂离子电池内部指定位置，以探索锂离子电池运行过程中的参数变化规律以及提高锂离子电池性能的应用温度范围。这些方法不仅加工制作困难，不能针对单个锂离子电池进行内部指定位置的精准检测，从而不能及时发现异常，而且微型传感器的植入位置精度差、工艺复杂、制作成本高，也破坏了锂离子电池整体结构的气密性，甚至降低了传感器所在电极对的有效面积，进而影响了锂离子电池的性能。另外，对锂离子电池内部各参数进行逐一测量，无疑增加了复杂度及工作量，同时对锂离子电池性能的稳定也有很大影响，如cn201220236884.7公开了一种锂离子电池内部产气检测装置，cn201310094583.4公开了一种电池厚度测量装置，cn201210158700.4公开了一种锂离子电池温度的测量方法，cn201610751332.2公开了一种方形锂离子电池内部温度的在线监测方法及装置，cn201711343451.5公开了一种可检测内部温度和压力的锂电池,cn201410637433.8公开了燃料电池内部温度、湿度、热流密度、电流密度联测传感器等，其主要采用蒸发镀膜方法制作，由于其包覆10层膜，中间的保护层对相互的测量数据产生影响。因此制作能同时在线测量锂离子电池内部互不干扰的多个参数的测量装置是非常必要的。

本发明的锂离子电池内部温度、电压、压力、应力的集成传感器，能够实现同步在线测量锂离子电池内部不同厚度面向的温度、电压、压力、应力的分布情况，独立于被测锂离子电池，不需要对被测锂离子电池的结构进行特殊改造，减少了对锂离子电池的性能的破坏，从而降低了由于多参数分布测量带来的成本和工作量增加。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种实时在线精准检测、抗干扰、可靠的离子电池多参数集成装置及其测试方法以实现对离子电池内部的温度、电压、压力、应力的分布测量。

本发明的技术方案如下：

一种离子电池多参数集成装置，包括离子电池(1)，聚亚酰胺基底(2)上设置有集成传感器(3)，聚亚酰胺基底(2)和集成传感器(3)均设置在离子电池(1)内，所述集成传感器(3)由温度传感器(6)、电压传感器(7)、压力传感器(8)、应力传感器(9)组成，在聚亚酰胺基底(2)一侧设置有温度传感器(6)、电压传感器(7)，在聚亚酰胺基底(2)另一侧设置有压力传感器(8)、应力传感器(9)；引线(4)一端分别将温度传感器(6)、电压传感器(7)、压力传感器(8)、应力传感器(9)相连，引线(4)另一端延伸至引线端口(5)；温度传感器(6)、电压传感器(7)、压力传感器(8)、应力传感器(9)和引线(4)表面上有聚亚酰胺保护膜(10)。

进一步地，聚亚酰胺基底(2)的形状与集成传感器(3)、引线(4)相对应。

进一步地，引线端口(5)外接数据采集设备。

进一步地，离子电池封装形状为圆柱形、方形、软包中的一种；所述离子电池中正负极极片组成形式为卷绕、叠片中的一种。正负极极片由正极的正极片和负极的负极片组成。

进一步地，离子电池为锂离子电池。

进一步地，引线(4)宽度为0.1-0.2mm。

进一步地，集成传感器(3)布置在正极片和隔膜之间、负极片和隔膜之间、两隔膜之间位置中的一种；或集成传感器(3)布置在正极、负极、正负极中间位置、正极末端、负极末端位置中的一种。

一种制备集成装置的方法，其特征在于，采用以下步骤：

第一步，将温度传感器(6)、电压传感器(7)间隔布置在聚亚酰胺基底(2)的一侧，将压力传感器(8)、应力传感器(9)间隔布置在聚亚酰胺基底(2)的另一侧；

第二步，引线(4)一端分别将温度传感器(6)、电压传感器(7)、压力传感器(8)、应力传感器(9)相连，引线(4)另一端延伸至引线端口(5)；

第三步，将温度传感器(6)、电压传感器(7)、压力传感器(8)、应力传感器(9)和引线(4)未覆盖上的聚亚酰胺基底(2)切除；

第四步，将温度传感器(6)、电压传感器(7)、压力传感器(8)、应力传感器(9)和引线(4)表面附着聚亚酰胺保护膜(10)，并得到测试检测层板；

第五步，将测试检测层板依次进行入电池壳、注液、封口、化成、外包装，并得到集成装置。

进一步地，将温度传感器(6)、电压传感器(7)、压力传感器(8)、应力传感器(9)测头上的聚亚酰胺保护膜(10)去除，温度传感器(6)、电压传感器(7)、压力传感器(8)、应力传感器(9)测头表面采用印刷或喷涂一层厚度与聚亚酰胺保护膜(10)相同的铜、金、镍涂层，涂层形状与温度传感器(6)、电压传感器(7)、压力传感器(8)、应力传感器(9)测头形状一致。

其原理如下：将温度、电压微型传感器以互不干扰的最小间距固定在聚亚酰胺基底一面的指定位置，传感器引出线在基底同侧以最小互不干扰间距引至引线端口(5)；将压力、应力微型传感器以互不干扰的最小间距固定在聚亚酰胺基底上另一面上且与温度、电压微型传感器相同的位置，压力、应力微型测试传感器引出线在基底同侧以最小互不干扰间距在引至引线端口(5)；为极大限度降低电池内部测试时测量装置对所在厚度电极对性能的影响，将传感器和引线所在位置以外的聚亚酰胺基底和保护膜切除，保留空白区域；为保证传感器精确放置在指定位置，测试检测层板的尺寸根据待测锂离子电池内部正极片的尺寸确定。干电芯制造过程中，将测试检测层板放在制定位置，经入壳、注液、封口、化成、外包装等步骤后制备成带有温度、电压、压力、应力的集成测试传感器装置的锂离子电池成品，整个锂离子电池完全密封。该引线(4)一端与各传感器接线处相连，引线(4)另一端通过引线端口(5)伸出壳体外与数据采集器连接，将电池内部的温度、电压、压力、应力相关数值传递给数据采集仪器，可实时分析电池内部各参数变化的情况；本技术方案主要用于检测检验用，可以在实验室、整车上在线监测锂离子电池内部温度、电压、压力、应力的变化和分布情况；从而使检测人员及热管理系统及时精确的评价电池，为改进电池的结构，提高电池的循环性能、寿命及可靠性提供指导，同时降低了检测误差并可及时发现异常，避免发生安全问题。

当然本技术方案中，将引线接入电池安全控制电路中，可以精准及时的发现锂离子电池使用中的异常现象，提早预警，切断电路，阻断滥用问题。离子电池多参数集成装置的位置可放置在锂离子电池(1)内部或放置于锂离子电池(1)表面。

定义：

空白区域：电池内部除集成传感器及引线所在部位外均去除多余的聚亚酰胺薄膜基底和聚亚酰胺保护层，所形成空的部分。

与现有传统技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明实现了对锂离子电池内部温度、电压、压力、应力的同步联测；

2.该发明装置放置于锂离子电池内部指定厚度，其结构与被测锂离子电池独立，并且传感器定位准确，减少了对电池性能及封装的影响；同时，该装置适用范围广，简便易行，可大规模生产，成本较低，可适配于卷绕式、叠片式或其他方式的锂离子电池中。

3.本发明将温度传感器(6)、电压传感器(7)设置在聚亚酰胺基底一侧，将压力传感器(8)、应力传感器(9)设置在聚亚酰胺基底另一侧，避免相互干扰。

附图说明

图1为本发明离子电池多参数集成装置在同侧出极耳的方形叠片式、卷绕式锂离子电池多点布置示意图；

图2为本发明离子电池多参数集成装置在对侧出极耳的方形叠片式、卷绕式锂离子电池多点布置示意图；

图3为本发明离子电池多参数集成装置单点布置示意图；

图4为本发明在聚亚酰胺基底两侧引线及其上聚亚酰胺保护膜的截面示意图；

图5为本发明聚亚酰胺基底一面的温度传感器、电压传感器单点布置示意图；

图6为本发明聚亚酰胺基底另一面的压力传感器、应力传感器单点布置示意图；

其中：1、离子电池，2、聚亚酰胺基底，3、集成传感器，4、引线，5、引线端口，6、温度传感器，7、电压传感器，8、压力传感器，9、应力传感器，10、聚亚酰胺保护膜，11、空白区域。

具体实施方式

以下结合附图1-6对本发明的技术方案作进一步描述。

参照图1-2(图1为同侧出极耳、图2为对侧出极耳)所示，本发明的锂离子电池内部温度传感器(6)、电压传感器(7)、压力传感器(8)、应力传感器(9)构成的集成传感器，放置在锂离子电池(1)指定厚度位置，所述锂离子电池(1)的形状可以为圆柱形、方形、软包，正负极极片组成形式有卷绕或叠片。所述集成装置的制作步骤为：

第一步，将温度传感器(6)、电压传感器(7)间隔布置在聚亚酰胺基底(2)的一侧，将压力传感器(8)、应力传感器(9)间隔布置在聚亚酰胺基底(2)的另一侧；

第二步，引线(4)一端分别将温度传感器(6)、电压传感器(7)、压力传感器(8)、应力传感器(9)相连，引线(4)另一端延伸至引线端口(5)；

第三步，将温度传感器(6)、电压传感器(7)、压力传感器(8)、应力传感器(9)和引线(4)未覆盖上的聚亚酰胺基底(2)切除；

第四步，将温度传感器(6)、电压传感器(7)、压力传感器(8)、应力传感器(9)和引线(4)表面附着聚亚酰胺保护膜(10)，并得到测试检测层板；

第五步，将测试检测层板依次进行入电池壳、注液、封口、化成、外包装，并得到集成装置。

优化地，集成传感器布置在正极附近，负极附近，中心，正极末端，负极末端位置中的一种。另外，集成传感器两面的朝向根据测试需求确定，两面均能够朝向正极、隔膜和负极。集成传感器根据测试需求放置在正极片和隔膜之间、负极片和隔膜之间、两隔膜之间位置中的一种。

参照图3所示，锂离子电池内部温度传感器(6)、电压传感器(7)、压力传感器(8)、应力传感器(9)构成的集成传感器(3)，温度传感器(6)、电压传感器(7)间隔布置在聚亚酰胺基底(2)的一侧，将压力传感器(8)、应力传感器(9)间隔布置在聚亚酰胺基底(2)的另一侧。单点布置的各个传感器之间采用互不干扰的最小间距。聚亚酰胺基底(2)除引出锂离子电池(1)的引线端口(5)外，外围尺寸根据待测锂离子电池(1)的正极片确定，内部除各个传感器和引线(4)所在部位外均去除多余的聚亚酰胺基底(2)和聚亚酰胺保护层(10)，以减少对锂离子电池(1)性能的影响。

参照图4所示，集成传感器(3)的引线(4)宽0.1-0.2mm，可采用印刷电路、喷涂、真空镀膜、3d打印实现，所述引线(4)的材质可选用铜、金、铂金属，还可以选用复合金属如铜镀金、铜镀镍。所述引线(4)表面敷有一层聚亚酰胺保护膜(10)，其形状和位置与聚亚酰胺薄膜基底(2)一致，但在引线端口(5)处要短于与外电路数据采集装置连接部分。所述聚亚酰胺基底(2)的厚度为0.1-0.3mm，所述聚亚酰胺保护膜(10)的厚度为0.05-0.2mm，所述引出锂离子电池(1)的引线端口(5)数量可以为1个或多个，位置可根据需求设置。

参照图5所示，所述集成传感器(3)中，聚亚酰胺基底(2)一面的温度传感器(6)、电压传感器(7)根据测试原理不同而设置：如温度传感器(6)为热敏电阻、t/k/j/e型热电偶、光纤温度传感器中的一种。电压传感器(7)测头可采用铜、金、铂金导电性能好的材料，所述电压传感器(7)测头上的聚亚酰胺保护膜(10)去除，测头表面采用印刷或喷涂一层厚度与聚亚酰胺保护膜(10)相同的铜、金或镍，所述涂层形状与电压传感器(7)测头形状一致，保证电压传感器(7)测头能够与所测位置的正极、负极或隔膜接触。

参照图6所示，所述集成传感器(3)中，聚亚酰胺基底(2)另一面的压力传感器(8)、应力传感器(9)传感器，亦根据测试原理不同而设置，如压力传感器(8)可以是光纤压力传感器或是应变式压力传感器。

本发明实现了对锂离子电池内部温度、电压、压力、应力的同步联测，该发明装置可放置于锂离子电池内部任意指定厚度，其结构与被测锂离子电池独立，并且微型传感器定位准确，减少了对电池性能及封装的影响，保证了锂离子电池各性能的稳定；同时，该装置适用范围广，简便易行，可大规模生产，成本较低，可适配于卷绕式、叠片式或其他方式的圆柱形、方型以及软包锂离子电池中，实现了对锂离子电池内部温度、电压、压力、应力的单个或多个参数单点或多点的实时在线监测，可用于实验室、系统以及车上及时发现异常，阻断安全事故，所述集成测试传感器装置的位置可放置在锂离子电池1内部也可放置于锂离子电池1表面。

其中温度传感器(6)、电压传感器(7)、压力传感器(8)、应力传感器(9)为微型传感器，即温度微型传感器、电压微型传感器、压力微型传感器、应力微型传感器。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。