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锂离子电池内置微型传感器制备与性能研究

锂离子电池内置微型传感器制备与性能研究

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作者：韩江电子科技大学

学位级别：硕士

锂离子电池是一个非常复杂的储能系统,涉及多场耦合的电化学和物理过程。随着锂离子电池在便携式设备、电动汽车、航空航天等领域广泛应用,其安全性问题越来越突出。为了对电池安全进行监测及评估,本文开发设计了电池内部微型传感器,实... 详细信息

锂离子电池是一个非常复杂的储能系统,涉及多场耦合的电化学和物理过程。随着锂离子电池在便携式设备、电动汽车、航空航天等领域广泛应用,其安全性问题越来越突出。为了对电池安全进行监测及评估,本文开发设计了电池内部微型传感器,实现了电池内部温度和压力的实时监测,且该传感器的植入对电池的电性能几乎没有负面影响,具体研究内容如下:首先,为了将传感器置于电池内部,本工作设计制备了基于柔性印刷电路(fpc)的负极集流体。将微型传感器集成在FPC负极集流体的传感电路上,并使用聚酰亚胺(PI)胶对传感器进行保护,进一步在集成了微型传感器的负极集流体上涂布负极材料,与隔膜、正极叠片组装了内部集成压力/温度传感器的锂电池。该fpc集流体将传感器及电池负极一体集成,避免了传统直接插入式传感器造成的正负极接触距离变大,而引起电池容量、倍率性能衰减的问题。其次,在FPC负极集流体的基础上,分别制备了基于DF9-16压电贴片传感单元及PT1000热电阻式贴片传感单元的电池内置压力、温度传感器,并且对传感器性能及电池的电化学性能进行了表征与分析。通过砝码自由落下击打传感器,DF9-16压力传感器产生的电压信号与砝码的质量和自由落下的高度呈线性关系。CV测试表明,DF9-16压力传感器的植入不会在电池内部引起电化学副反应。内部集成DF9-16压力传感器的电池以0.5 C/0.5 C电流循环充放电测试20圈后放电容量保持率接近90%。在0到120℃之间,温度与PT1000温度传感器电阻呈良好的线性关系。电池短路后,PT1000温度传感器能够实时监测电池内部的温度状态。PT1000温度传感器阵列可以对电池内部温度进行实时监测和定位。CV测试表明,PT1000温度传感器阵列的植入不会在电池内部引起电化学副反应。内部集成PT1000温度传感器阵列的电池以0.5 C/0.5 C的电流充放电循环20圈后,其放电容量保持率为89%。在2 C的大电流放电时,电池的容量保持率接近90%,充分证明,PT1000温度传感器阵列的植入,对电池的电化学性能几乎没有负面影响。最后,在电池内部集成了基于PVDF-TrFE压电、热释电薄膜的压力/温度二合一传感器,并且对传感器性能及电池的电化学性能进行了表征与分析。基于PVDF-TrFE薄膜的电池内置传感器,可以同时监测电池内部的压力及温度变化。当电池受到4 N、6 N、8 N和10 N的力时,集成在电池内部的PVDF-TrFE薄膜传感器分别产生-1.9、-2.4、-4.8和-8.2 m V压电脉冲信号。电池鼓包时,集成在电池内部的PVDF-TrFE薄膜传感器产生-3.5 m V压电脉冲信号。当温度突然升高(1.3℃)时,PVDF-TrFE薄膜传感器产生125μV热释电脉冲电压信号。当温度突然升高285℃时,PVDF-TrFE薄膜传感器产生2.25 m V热释电脉冲电压信号。进一步可以通过示波器和分峰软件对压电和热释电的响应信号进行筛选,将压力和温度信号进行分离。内部集成PVDF-TrFE薄膜传感器的电池以0.5 C/0.5 C电池循环100圈后,放电容量保持率为85.24%。电池在0.5、1、2 C放电时的放电容量保持率相对于0.2 C的放电容量分别为100%、97.32%和90.6%。内部集成PVDF-TrFE薄膜传感器的电池的电化学性能与普通锂电池接近,表明PVDF-TrFE薄膜传感器不仅可以实时监测内部的压力和温度变化,且该传感器的植入对电池的影响几乎可以忽略不计。

关键词：电池安全 FPC负极集流体压力传感器温度传感器 PVDF-TrFE

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