一种基于PEO的可植入电池温度传感器及其制备方法和应用

本发明涉及一种传感器及其制备方法和应用。

背景技术：

1、以锂离子电池为代表的电化学储能技术是利用电化学反应实现电能与化学能之间相互转换的储能技术。锂离子电池具有能量密度高，循环寿命长等特点，在各类电池储能技术中应用非常广泛。在电池实际使用过程中，如遇锂电池热失控现象，锂离子电池具有反应时间短，燃烧剧烈等特征。锂离子电池的结构注定了其有限的充放电次数，越高的充放电电压，越容易生成锂枝晶刺破膈膜造成内短路，从而导致电池的热失控，产生不可逆的影响。轻则性能下降，重则引发自燃、爆炸。因此，对电池温度进行检测，提前做出预警或切断热失控是十分必要的。

2、薄膜传感器的发展，使得传感器可以植入电池内部。从电池内部检测电池，能够更精确的反映电池的实时状态，随着纳米印刷等技术的不断发展，在柔性基底上通过印刷，涂布等工艺得到的温敏元器件，不仅成本低廉，而且结构简单，集成度高。且由于薄膜传感器体积小的特点，不占用电池内部空间，提高空间利用率、加大电池容量。以碳基温敏材料为导电填料制作的薄膜温度传感器，包括鳞片石墨，炭黑，碳纤维和碳纳米管等，具有极好的机械和电学性能。通过将碳系导电材料与聚合物混合制备温度敏感材料，导电填料在复合材料内部建立导电网络，环境温度变化后，导电网络也发生改变，温度敏感材料的电阻也随之改变，以此来感知温度变化。

3、现如今已有一些植入电池的温度传感器，如通过表面微机械技术制备出可实现温度、电流双信号检测的微型传感器。通过真空蒸镀技术构建传感器敏感层，采用光刻技术和湿法腐蚀制备器件结构层，并将其植入纽扣电池内部实现对电池工作状态下的温度和电流信号检测。但其结构较为复杂，工艺要求相对较高。

4、布拉格光栅光纤温度传感器也可用于电池内部植入，利用不同温度条件下光栅可折射光线的现象，可实现对电池内部温度的实时监测。虽然电池监测技术得到了广泛研究，但由于光纤传感附加监测设备多、微型传感器制备成本高昂等因素都限制其进一步发展且很难应用到实际应用环境中。

技术实现思路

1、本发明的目的是要解决现有植入电池的温度传感器的结构复杂，工艺要求高，附加监测设备多和成本高昂的问题，而提供一种基于peo的可植入电池温度传感器及其制备方法和应用。

2、聚合物类薄膜传感器由于自身纤薄、制备成本低等优点可将其植入锂离子电池内部实现内部温度预警；本发明采用基于peo热膨胀材料制作的薄膜温度传感器件，使用cmc作为材料支撑，石墨作为导电材料共同组成二元传感器件。peo以水作为溶剂，因此制作过程不受环境湿度影响，工艺简单；当电池产热达到一定温度时，peo受热膨胀，传感器受热电阻增大，单位体积内石墨颗粒浓度减小，该温度传感器会在特征温度80℃时内部导电通路发生突变，从而触发警报；其结构简单，无需额外附加监测设备便可工作；相较于其他聚合物传感器，peo对温度响应敏感，可重复性优良。

3、一种基于peo的可植入电池温度传感器的温敏区域的材质为peo/cmc/gr导电复合材料，引脚的材质为导电银浆，温敏区域的下端两侧分别与两条引脚的拐角处相连接。

4、一种基于peo的可植入电池温度传感器的制备方法，具体是按以下步骤完成的：

5、一、制备导电浆料：

6、①、将聚环氧乙烷加入到去离子水中，超声分散，得到聚环氧乙烷溶液；对聚环氧乙烷溶液进行搅拌，得到无色透明且粘稠的peo溶液；

7、②、将羧甲基纤维素和石墨粉在研钵中研磨均匀，直至粉末无明显色差，得到cmc/石墨粉；

8、③、将cmc/石墨粉加入到peo溶液中，再加入去离子进行稀释，慢速搅拌一段时间，再放入真空干燥箱中静置，去除胶体内混入的空气，得到导电浆料；

9、二、首先使用导电银浆在聚酰亚胺薄膜上温敏区域的下端两侧分别打两条引脚，再烘干烧结，然后在聚酰亚胺薄膜上利用微电子打印机将步骤一得到的导电浆料进行分层绘制，自然风干，得到传感器的温敏区域；最后在温敏区域上方覆盖聚酰亚胺薄膜，得到基于peo的可植入电池温度传感器。

10、本发明的原理：

11、一、本发明使用聚环氧乙烷(peo)作为热膨胀温敏材料，羧甲基纤维素(cmc)作为基底，石墨(graphite)作为导电材料设计温度传感器，从微观角度分析其温敏机理，设计了一款便于植入电池内部的薄膜传感器，研究该传感器温度电阻特性，对其稳定性，可重复性等性能进行了测试，并将其用于电池原位检测，从内部获取电池温度，测试过充条件下电池热失控温度响应；

12、二、本发明制备的基于peo的可植入电池温度传感器作为柔性材料，十分适合植入电池，电池内部温度往往会比外部检测到时更高，因此当传感器植入电池做原位监测时，可更早的发现问题，提前发现电池故障，避免电池自燃；如果电池发生热失控，也能为使用人员争取更多的时间避险；

13、三、本发明在相同的面积下，减小正负极之间的间距，扩大接触的长度，有利于电子传导，降低阻值；传感器件的电阻不宜过大(本发明实施例1制备的基于peo的可植入电池温度传感器的电阻为2859ω)，在信号处理时，过大的电阻意味着引入更多的噪声；本发明使用银浆，用曲线过渡引脚和温敏区域，在降低材料电阻的同时，确保引脚接线方便，且出引脚方向在同一侧，便于后续植入。

技术特征：

1.一种基于peo的可植入电池温度传感器，其特征在于该传感器的温敏区域的材质为peo/cmc/gr导电复合材料，引脚的材质为银线，温敏区域的下端两侧分别与两条引脚的拐角处相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于peo的可植入电池温度传感器，其特征在于所述的温敏区域的宽度为1.4mm～1.6mm，温敏区域的长度为3.9mm～4.1mm，温敏区域的厚度为0.14mm～0.2mm；传感器的整体长度为49.9mm～50.1mm，引脚拐角处的高度为1.9mm～2.1mm，引脚拐角处的倾斜角度为44.9°～45.1°，两条引脚之间的宽度为4.9mm～5.1mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于peo的可植入电池温度传感器，其特征在于所述的peo/cmc/gr导电复合材料的制备方法具体是按以下步骤完成的：

4.根据权利要求3所述的一种基于peo的可植入电池温度传感器，其特征在于步骤一中所述的聚环氧乙烷的质量与去离子水的体积比为(0.5g～0.7g):10ml；步骤一中所述的超声分散的时间为20min～30min，超声分散的功率为50w～60w；步骤一中对聚环氧乙烷溶液进行搅拌的时间为2h～3h。

5.根据权利要求3所述的一种基于peo的可植入电池温度传感器，其特征在于步骤二中所述的羧甲基纤维素和石墨粉的质量比为(0.5g～0.7g):(0.7g～0.9g)。

6.根据权利要求3所述的一种基于peo的可植入电池温度传感器，其特征在于步骤三中所述的cmc/石墨粉、peo溶液和去离子水的质量体积比为(1g～2g):(10ml～12ml):(15ml～25ml)。

7.根据权利要求3所述的一种基于peo的可植入电池温度传感器，其特征在于步骤三中所述的慢速搅拌的速度为250r/min～300r/min，慢速搅拌的时间为4h～5h；步骤三中放入真空干燥箱中静置的时间为1h～2h。

8.如权利要求1所述的一种基于peo的可植入电池温度传感器的制备方法，其特征在于该传感器的制备方法具体是按以下步骤完成的：

9.根据权利要求8所述的一种基于peo的可植入电池温度传感器的制备方法，其特征在于步骤一①中所述的聚环氧乙烷的质量与去离子水的体积比为(0.5g～0.7g):10ml；步骤一①中所述的超声分散的时间为20min～30min，超声分散的功率为50w～60w；步骤一①中对聚环氧乙烷溶液进行搅拌的时间为2h～3h；步骤一②中所述的羧甲基纤维素和石墨粉的质量比为(0.5g～0.7g):(0.7g～0.9g)；步骤一③中所述的cmc/石墨粉、peo溶液和去离子水的质量体积比为(1g～2g):(10ml～12ml):(15ml～25ml)；步骤一③中所述的慢速搅拌的速度为250r/min～300r/min，慢速搅拌的时间为4h～5h；步骤一③中放入真空干燥箱中静置的时间为1h～2h；步骤二中所述的烘干烧结的温度为200℃，烘干烧结的时间为1h～2h。

10.如权利要求1所述的一种基于peo的可植入电池温度传感器的应用，其特征在于一种基于peo的可植入电池温度传感器植入到电池内部，用于检测电池内部的温度。

技术总结
一种基于PEO的可植入电池温度传感器及其制备方法和应用，它涉及一种传感器及其制备方法和应用。本发明的目的是要解决现有植入电池的温度传感器的结构复杂，工艺要求高，附加监测设备多和成本高昂的问题。一种基于PEO的可植入电池温度传感器，传感器的温敏区域的材质为PEO/CMC/Gr导电复合材料，引脚的材质为银线，温敏区域的下端两侧分别与两条引脚的拐角处相连接。方法：一、制备导电浆料；二、在聚酰亚胺薄膜上分层打印引脚和温敏区域，再覆盖聚酰亚胺薄膜，得到基于PEO的可植入电池温度传感器。该传感器植入到电池内部，用于检测电池内部的温度。本发明可获得一种基于PEO的可植入电池温度传感器。

技术研发人员：陈明华,曹立鹏,姚远,张家伟,赵文杰,陈桢
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16