一种具有内置微型传感器的智能锂电池及其制造工艺的制作方法

本发明涉及锂电池，具体为一种具有内置微型传感器的智能锂电池及其制造工艺。

背景技术：

1、锂电池热失控是制约其大规模应用的核心安全瓶颈。过充、内短路、机械滥用等条件下，卷芯内部会率先发生放热链式反应，最终引发起火爆炸。现有电池管理系统仅能采集电池表面温度、端电压等外部参数，受卷芯多层结构的热阻影响，内部温度与表面温度存在20-30℃的温差，外部监测存在15-30分钟的预警滞后，无法识别热失控早期征兆。

2、现有内置传感方案存在四类固有缺陷：一是传感器植入极片之间占用有效反应面积，阻碍锂离子传输，导致能量密度下降3%以上，循环寿命缩短20%；二是传感器缺乏耐电解液封装，长期工作在强腐蚀环境下易失效，金属离子溶出还会引发电池自放电；三是引线单独穿出壳体形成密封薄弱点，长期循环后漏液率超过5%；四是传感器植入工序与现有卷绕工艺不兼容，无法实现规模化量产。开发不影响电池电化学性能、密封可靠、可量产的内置传感智能电池，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种具有内置微型传感器的智能锂电池及其制造工艺，能有效解决背景技术提出的问题。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种具有内置微型传感器的智能锂电池，包括卷绕式电芯、电池外壳、注液密封端盖以及内置传感组件；

4、所述卷绕式电芯中心形成有轴向贯穿的中心空腔，所述中心空腔内固定设置有中空绝缘支撑骨架；

5、所述内置传感组件包括多个mems微型传感器芯片、信号处理asic芯片以及柔性扁平引线，所述多个mems微型传感器芯片和信号处理asic芯片均通过绝缘胶固定在所述中空绝缘支撑骨架的外壁上，且外表面包覆有三层复合封装层，所述三层复合封装层从内到外依次为聚酰亚胺钝化层、氧化铝陶瓷阻隔层以及全氟磺酸树脂保护层；

6、所述柔性扁平引线沿中空绝缘支撑骨架的轴向延伸，一端与所述信号处理asic芯片电连接，另一端与卷绕式电芯的正极耳、负极耳共同从注液密封端盖处热压密封引出至电池外部。

7、作为上述技术方案的进一步描述，所述中空绝缘支撑骨架为聚醚醚酮材质的圆筒状结构，所述中空绝缘支撑骨架的外径为2mm-4mm，其外壁开设有与mems微型传感器芯片和信号处理asic芯片外形匹配的定位凹槽，所述mems微型传感器芯片和信号处理asic芯片嵌装于定位凹槽内。

8、作为上述技术方案的进一步描述，多个所述mems微型传感器芯片至少包括ntc温度传感器、mems压阻式压力传感器以及电容式应变传感器；

9、所述ntc温度传感器位于中空绝缘支撑骨架的轴向中点位置，所述mems压阻式压力传感器位于中空绝缘支撑骨架靠近注液密封端盖的一端，所述电容式应变传感器为两个，分别对称设置在所述中空绝缘支撑骨架靠近正极耳、负极耳的两端。

10、作为上述技术方案的进一步描述，所述聚酰亚胺钝化层的厚度为5μm-10μm，完全包覆芯片表面及焊盘位置；

11、所述氧化铝陶瓷阻隔层的厚度为2μm-5μm，通过原子层沉积工艺形成；

12、所述全氟磺酸树脂保护层的厚度为15μm-20μm，通过浸涂工艺形成。

13、作为上述技术方案的进一步描述，所述柔性扁平引线包括聚酰亚胺基材以及形成在基材上的铜箔导线，所述铜箔导线的宽度为0.3mm-0.5mm，厚度为12μm-18μm，相邻导线间距为0.2mm-0.3mm。

14、作为上述技术方案的进一步描述，所述注液密封端盖上设置有三个平行的引出位，所述正极耳、负极耳分别位于两侧引出位，所述柔性扁平引线位于中间引出位，三者通过聚丙烯热熔胶在同一水平面热压融合密封。

15、作为上述技术方案的进一步描述，所述中空绝缘支撑骨架的侧壁开设有多个连通孔，所述连通孔的孔径为0.5mm-1mm，沿轴向和周向均匀分布。

16、一种具有内置微型传感器的智能锂电池的制造工艺，包括以下步骤：

17、步骤s1，传感器预制：将mems微型传感器芯片和信号处理asic芯片贴装在柔性扁平引线一端，完成打线电连接后，依次沉积聚酰亚胺钝化层、氧化铝陶瓷阻隔层，浸涂全氟磺酸树脂保护层，形成预制传感模组；

18、步骤s2，骨架组装：将预制传感模组对准并嵌入中空绝缘支撑骨架外壁的定位凹槽内，点绝缘胶固定，完成传感骨架组件制备；

19、步骤s3，卷绕集成：将传感骨架组件套装在卷绕机的卷针上，依次层叠正极片、隔膜、负极片后启动卷绕，使传感骨架组件随卷绕过程自然形成在卷绕式电芯的中心空腔内；

20、步骤s4，入壳封装：将卷绕完成的电芯装入电池外壳，柔性扁平引线与正极耳、负极耳对齐后共同放置在注液密封端盖的对应引出位，热压密封；

21、步骤s5，注液化成：经真空干燥、注液、化成、分容工序后，得到成品智能锂电池。

22、作为上述技术方案的进一步描述，在所述步骤s3中，卷绕起始时，隔膜首先缠绕传感骨架组件至少两圈后再开始层叠正、负极片，传感骨架组件与卷针之间为间隙配合，卷绕完成后抽出卷针，传感骨架组件留置于卷绕式电芯中心。

23、作为上述技术方案的进一步描述，在所述步骤s4中，热压密封温度为185℃-195℃，压力为0.3mpa-0.5mpa，保压时间为8s-12s，热压完成后进行氦质谱检漏。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

25、本发明的一种具有内置微型传感器的智能锂电池，在使用的过程中具有如下至少之一的有益效果：

26、通过在卷芯中心空腔设置中空绝缘支撑骨架集成传感器，既位于热失控首发核心位置实现精准监测，又不占用极片有效反应面积，不会影响电池正常电化学性能，解决了现有技术传感器植入劣化电池性能的问题。采用三层复合封装结构，同时实现绝缘钝化、离子阻隔、耐电解液腐蚀三重防护，传感器可在电解液中长期稳定工作，无金属离子溶出污染电池体系。采用扁平引线与正负极耳共面热压密封结构，从根本上解决了引线单独穿出导致的漏液隐患，密封可靠性高。采用卷绕同步集成工艺，与现有锂电池生产线完全兼容，无需大幅改造设备，适合大规模量产。多传感器分区布置实现多参数协同监测，可大幅提前热失控预警时间，显著提升锂电池安全性能。

1.一种具有内置微型传感器的智能锂电池，其特征在于：包括卷绕式电芯、电池外壳、注液密封端盖以及内置传感组件；

2.根据权利要求1所述的一种具有内置微型传感器的智能锂电池，其特征在于：所述中空绝缘支撑骨架为聚醚醚酮材质的圆筒状结构，所述中空绝缘支撑骨架的外径为2mm-4mm，其外壁开设有与mems微型传感器芯片和信号处理asic芯片外形匹配的定位凹槽，所述mems微型传感器芯片和信号处理asic芯片嵌装于定位凹槽内。

3.根据权利要求1所述的一种具有内置微型传感器的智能锂电池，其特征在于：多个所述mems微型传感器芯片至少包括ntc温度传感器、mems压阻式压力传感器以及电容式应变传感器；

4.根据权利要求1所述的一种具有内置微型传感器的智能锂电池，其特征在于：所述聚酰亚胺钝化层的厚度为5μm-10μm，完全包覆芯片表面及焊盘位置；

5.根据权利要求1所述的一种具有内置微型传感器的智能锂电池，其特征在于：所述柔性扁平引线包括聚酰亚胺基材以及形成在基材上的铜箔导线，所述铜箔导线的宽度为0.3mm-0.5mm，厚度为12μm-18μm，相邻导线间距为0.2mm-0.3mm。

6.根据权利要求1所述的一种具有内置微型传感器的智能锂电池，其特征在于：所述注液密封端盖上设置有三个平行的引出位，所述正极耳、负极耳分别位于两侧引出位，所述柔性扁平引线位于中间引出位，三者通过聚丙烯热熔胶在同一水平面热压融合密封。

7.根据权利要求1所述的一种具有内置微型传感器的智能锂电池，其特征在于：所述中空绝缘支撑骨架的侧壁开设有多个连通孔，所述连通孔的孔径为0.5mm-1mm，沿轴向和周向均匀分布。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的一种具有内置微型传感器的智能锂电池的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的制造工艺，其特征在于，在所述步骤s3中，卷绕起始时，隔膜首先缠绕传感骨架组件至少两圈后再开始层叠正、负极片，传感骨架组件与卷针之间为间隙配合，卷绕完成后抽出卷针，传感骨架组件留置于卷绕式电芯中心。

10.根据权利要求8所述的制造工艺，其特征在于，在所述步骤s4中，热压密封温度为185℃-195℃，压力为0.3mpa-0.5mpa，保压时间为8s-12s，热压完成后进行氦质谱检漏。