电池单元以及具有用于检测健康状况（SOH）和充电状况（SOC）的装置的电池的制作方法

本发明涉及可再充电的电池，优选地针对具有用于计算其soh和soc的装置的电池单元。

背景技术：

1、电池是由可将存储的化学能转换成电流的一个或更多个电化学电池单元构成的装置。电化学电池单元制成许多形状和尺寸，比如圆柱形、钮扣式、棱柱形、和袋式。尤其是，袋式电池单元近年来已经受到欢迎，因为袋式电池单元提供了用于电池设计的简单、灵活、并且轻重量的方案。

2、确定电池的充电状况(soc)和健康状况(soh)对于管理能量性能和增加电池寿命是非常关键的问题。

3、具体地，soc代表电池的相对于电池容量的充电水平。表示soc的最常用的方式是用百分比(0％＝空；100％＝满)。

4、soh代表电池相比于其理想情况的状况。表示soh的使用最多的单位是百分比(100％＝电池情况匹配电池规格)。一般来说，电池的soh在制造时将为100％，并且随着时间和使用而减少。

5、这些年来，已经提出若干种方法以用于确定电池的soc和soh，其中最广泛使用的一种是基于使用对电池电压和电流的电气测量值，比如专利文件ep3671939a1。这些测量值与不同的外推算法一起允许估算电池阻抗，其是一种与soc和soh直接相关的参数。

6、然而，当前电池中的阻抗可能小于1mohm；因此，测量方法和需要的硬件必须达到特定的要求，实质上增加了电池成本。

7、预测电池性能的另一个有效方式是基于通过使用非常灵敏并且低成本的传感器来对构成电池的电池单元内部状况的变化进行实时测量。

8、电池单元的充电和放电周期引发了在电极和电解质中的微观结构改变，这造成与所述装置的劣化相关的周期性电池单元变形。因此，能够检测电池单元体积变化的低成本非侵入式传感器是使机械应力与电池单元化学性劣化相关的非常合适的工具，从而估算电池的soc和soh。

9、用于soc和soh估算的、最多使用的、电池物理特性的非侵入式测量策略中的一种是测量电池单元表面变形。

10、用于测量电池单元表面变形的一种这样的方法是光学测量，但是该方法具有的缺点是成本过高并且难以集成至电池中。

11、用于测量电池单元表面变形的另一种方法是使用胶合在电池单元表面上的变形传感器，比如在专利文件us20200014074a1中的方法。该方法具有的主要缺点是胶合剂被用作在变形传感器与电池单元表面之间的绝缘体，从而干扰获得数据的过程，带来误差，以及干扰制造过程。

12、因此，需要研发具有直接集成在电池单元表面上的变形传感器的电化学电池单元，其允许获得具有最小误差的正确的变形测量并且具有低集成成本。

技术实现思路

1、综上所述，本发明的目的是袋形式的电池单元，包括固定至袋的外侧表面的传感器，该传感器包括至少一个感测元件、至少一个导电元件、以及可选地至少一个电阻器元件，所述导电元件将感测元件和/或电阻器元件连接在一起，其中所述感测元件、导电元件和/或电阻器元件是分别通过在所述袋的外侧表面上分开地沉积感测元件的、导电元件的或电阻器元件的材料的各部分而获得的。

2、由于传感器的不同元件被直接沉积在电池单元的袋的外侧表面上，因此能够避免出现不同的中间元件，比如粘结剂、基板等，这些中间元件可能干扰所述袋表面的变形的测量，以及因此干扰所述电池的soc和soh的估算。

3、此外，通过分开地沉积所述感测元件、导电元件或电阻器元件的材料的各部分，所述感测元件、导电元件或电阻器元件能够由更适合于它们所执行的功能的不同的材料组成。

4、优选地，感测元件为由沉积在所述袋的外侧表面上的压阻式和/或热阻式材料构成的变形和/或温度感测元件。

5、为了所述袋的外侧表面的特性的更好的数据采集，以及因此获得电池的soc和soh的更好估算，感测元件中的一个为变形感测元件，构造成用于检测电池单元袋的表面变形。类似地，另一个感测元件为用于测量所述袋的表面温度的温度感测元件。以这样的方式，利用由变形感测元件和温度感测元件获得的数据，估算所述电池的soc和soh。

6、另一方面，虽然可能能够利用温度感测元件或变形感测元件中的仅一者来估算soc和soh，但是利用它们的组合来实现更准确的估算。

7、通过变化压阻式材料的电阻，其主要与材料变形相关，压阻式材料成为适合于构成变形感测元件的材料；类似地，通过变化热阻式材料的电阻，其主要由于材料的温度所引起，热阻式材料成为适合用于温度感测元件的材料。

8、根据本发明的特征，电池单元包括相同感测元件材料的多个感测元件，从而减少制造成本并且确保获得的测量在不同感测元件之间是一致的。

9、根据本发明的方面，温度感测元件基本上布置在袋的中央，即，布置在袋的与其外边线等距离的中点处。预期所述袋的外侧表面的中央是所述袋的表面变形较低的位置。以这样的方式，温度感测元件的电阻的改变将几乎仅仅与所述材料的温度相关，不会干扰所述袋自身的变形的测量。

10、优选地，温度感测元件的形状基本上为方形。这种构造允许温度感测元件的变形均匀，继而由于温度感测元件的中央定位，因此在所有方向上变形相同。因此，相对于所述袋的外侧表面的变形的、在温度感测元件的电阻中的改变被进一步减少，改进了数据采集。

11、附加地以及优选地，感测元件和电阻器元件连接以形成惠斯登电桥。这确保由于感测元件的材料的温度的改变所引起的感测元件的电阻的改变不会遮盖由于袋的表面变形所引起的感测元件的电阻的改变，带来了更准确的数据采集。

12、另一方面，感测元件、电阻器元件或导电元件的材料的各部分的沉积是通过溅射或印刷执行的。以这样的方式，感测器固定至袋表面，不需要可能干扰数据采集的基板或粘结剂。

13、优选地，感测元件、电阻器元件和/或导电元件布置为在所述袋的外侧表面上形成不同的相应层。以这样的方式，传感器的制造过程在多个阶段中为同质的，每一个阶段对应于感测元件、电阻器元件和/或导电元件。这带来构成传感器的每个元件的优化。

14、优选地，传感器包括施加至感测元件、电阻器元件和导电元件的钝化层。该钝化层增加了感测元件、电阻器元件和导电元件对氧化、表面刮擦等的机械抗力。

15、可以设想本发明的主题电池单元具有由锂金属构成的阳极，并且所述电池单元是在锂-硫电池单元、锂-空气电池单元、固态锂离子电池单元或锂-nmc电池单元之中选择的，优选地为固态li-s。在锂-金属电池单元的情况中，本发明的主题电池单元的构造对于所述袋的外侧表面的特性的数据采集尤其有益，因为所述袋在每个充电和放电周期的过程中由于li阳极的厚度的显著增加/减小而经历了显著的体积改变。因此，利用上述的传感器构造，检测了这种变形，以获得所述电池的soc和soh的更好的估算。

16、并且，对于li-s电池单元，其中由于硫的绝缘本质而在电池的每个周期的过程中容易产生热，本发明的包括在电池单元的袋中的多种感测元件的主题构造尤其相关，使得由于温度和变形而产生的改变被更有效地检测，用于所述电池的soc和soh的更好的估算。

17、并且，本发明的目的为一种电池，包括用于计算其soh和soc的所述电化学电池单元。优选地，具有至少一个锂金属电池单元、并且更优选地具有li-s电池单元的电池，比如固态li-s电池。