一种内部状态自感知的智能电池及一体化制备方法与流程

本发明涉及锂电池监测，更具体地说，涉及一种内部状态自感知的智能电池及一体化制备方法。

背景技术：

1、精准感知锂离子电池的工况状态是保障系统运行安全、提高系统运行能效、降低系统运行成本的重要前提。状态异常的锂离子电池会影响系统的稳定性和安全性，表现为容量减小、发热量增大、鼓包膨胀等。尤其是对于由多个单体串并联构成的复杂系统，单体电池之间状态的差异不仅会加速电池包容量的衰减，甚至会因为个别电池经历过大的充放电倍率或过充过放，诱发热失控等严重的安全问题。目前的锂电池管理系统通过监测电池表面温度以及电压、电流、内阻等外部特性对电池的工况状态进行评估。由于锂离子电池是一个密闭的复杂系统，由电池内部化学反应引起的温度、压力、形变、气体成分等特征量变化，从电池内部传递至外部需要一定的时间，仅依靠电池外部的特征信息难以精准获知电池的工况状态。因此，亟需发展能够原位在线监测锂电池内部状态的感知技术，构建能够自感知电池内部工况状态的智能电池。

2、近年来，随着柔性电子技术的快速发展，实现了多种包括电压、电流、压力、应变、温度等功能的柔性传感器，传感器能够植入电池内部，为电池内部状态的在线精准监测提供了技术可能。然而，目前的内嵌式柔性传感器均采用cmos和转印工艺制备而成，即通过光刻、刻蚀等工艺在柔性基底上形成传感器的连接电极和功能单元，再通过转印技术将传感器转移至电池内部，之后对电池进行注液、封装等工序。通过这种方式形成的智能电池，存在以下问题：

3、(1)目前报道的内嵌式柔性传感器的总厚度为20～50μm，而锂电池内部隔膜的厚度仅为几微米至十几微米，传感器的引入会造成电池比能量的降低，并且难以保证智能电池的长期可靠性和稳定性。

4、(2)先制备器件-后嵌入集成的工艺体系，与锂电池生产流程匹配度低，一些研究团队将已经制备好的电池拆解后植入传感器，类似的集成方案制约了智能电池系统从研究走向应用。

5、(3)基于cmos工艺制备的内嵌式感知器件，不便于制备大尺寸传感器，从而难以获得尺寸较大的智能电池单体，并且存在工艺耗时长、制备成本高、工艺过程污染大等问题。

6、为了解决上述问题，尽可能减少由感知器件引入造成的比能量降低、稳定性下降等问题，进一步提升智能电池的集成度，亟需发展一种与标准电池制备工艺高度匹配的传感器制备方法，构建内部状态自感知的智能电池一体化制备策略。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明涉及锂电池监测技术领域，更具体地说，涉及一种内部状态自感知的智能电池及一体化制备方法。

2、本发明采用的技术方案是：一种内部状态自感知的智能电池，智能电池内部集成了能够监测电池状态的传感器，其特征在于：

3、所述传感器以锂电池的结构膜层为基底，采用增材方法直接制备在所述锂电池内部的膜层上，和所述锂电池形成一体化结构。

4、进一步地，所述传感器包括电极层、功能层与封装层，

5、所述电极层制备于所述锂电池的结构膜层内表面；

6、所述功能层与所述电极层连接，所述功能层可监测所述锂电池的使用状态；

7、所述封装层制备于所述电极层与所述功能层外侧，可保护所述传感器不与电解液发生化学反应。

8、进一步地，所述电极层的一端设计有引出电极，所述引出电极可与柔性延长连接线相连。

9、进一步地，所述柔性延长连接线可采用pi衬底。

10、进一步地，所述柔性延长连接线与所述引出电极使用导电银浆连接。

11、进一步地，所述功能层可是温度、压力、应变、气体、正负极电位等传感器中的一种或几种的集合。

12、进一步地，一种内部状态自感知的智能电池的一体化制备方法，其特征在于，所述方法的步骤包括：

13、裁减锂电池的结构膜层，通过增材方法在所述锂电池的结构膜层表面打印电极层，并将所述电极层打印至封口边缘；

14、逐层丝网印刷所述传感器的所述功能层；

15、在所述电极层与所述功能层外丝网印刷所述传感器的封装层，使所述电极层与所述功能层不与电解液发生化学反应，形成自感知的所述锂电池的结构膜层；

16、进行所述锂电池的制备，之后将额外的柔性延长连接线与传感器引出电极连接，并对接口位置进行封装；

17、完成封装、注液、化成等后续电池制备工艺。

18、本发明具有的优点和积极效果是：由于采用上述技术方案，内嵌式柔性传感器直接制备在电池本身的膜层上，不需要额外的基底做支撑，降低了由传感器引入造成的比能量损失；本发明提出的智能电池制备方法中，感知器件不作为一个分立的组件，而是与锂电池膜层作为一个整体参与后续的电池制备流程，因此能更大程度地匹配标准的电池生产工艺；本发明所述的电池状态感知器件，采用增材制造技术逐层制备，不需要经历高温、光刻、湿法腐蚀等工艺流程，具有耗时短、成本低、污染轻等优势，并且能够制备大尺寸智能电池所需的感知器件。

技术特征：

1.一种内部状态自感知的智能电池，智能电池内部集成了能够监测电池状态的传感器，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的内部状态自感知的智能电池，其特征在于：所述传感器包括电极层、功能层与封装层，

3.根据权利要求2所述的内部状态自感知的智能电池，其特征在于：所述电极层的一端设计有引出电极，所述引出电极可与柔性延长连接线相连。

4.根据权利要求3所述的内部状态自感知的智能电池，其特征在于：所述柔性延长连接线可采用pi衬底。

5.根据权利要求1-4任一所述的内部状态自感知的智能电池，其特征在于：所述柔性延长连接线与所述引出电极使用导电银浆连接。

6.根据权利要求1所述的内部状态自感知的智能电池，其特征在于：所述功能层可是温度、压力、应变、气体、正负极电位等传感器中的一种或几种的集合。

7.一种内部状态自感知的智能电池的一体化制备方法，其特征在于，所述方法的步骤包括：

技术总结
本发明涉及锂电池监测技术领域，更具体地说，涉及一种内部状态自感知的智能电池及一体化制备方法。智能电池内部集成了能够监测电池状态的传感器，传感器以锂电池的结构膜层为基底，采用丝网印刷、喷墨打印等增材方法直接制备在电池内部的膜层上，和锂电池形成一体化结构；传感器采用多层结构，包括电极层、功能层与封装层，其中功能层可检测锂电池内部状态、封装层可保护传感器不与电解液发生化学反应。本发明的有益效果是内嵌式柔性传感器直接制备在电池本身的膜层上，不需要额外的基底做支撑，降低了由传感器引入造成的比能量损失；感知器件与锂电池膜层作为一个整体参与后续的电池制备流程，因此能更大程度地匹配标准的电池生产工艺。

技术研发人员：赵一聪,高鹏,王赫,纪伟伟
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第十八研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13