用于电池预紧工况的分布式分级支撑压力传感器、制作方法以及监测方法与流程

本技术涉及柔性电子、压阻式压力传感和电池状态监测，尤其涉及一种用于电池预紧工况的分布式分级支撑压力传感器、制作方法以及监测方法。

背景技术：

1、随着锂离子电池在动力电池、储能电池及智能感知电池中的广泛应用，电池在装配预紧和循环运行过程中的力学状态逐渐受到关注。软包电池、方壳电池及其模组通常通过夹具、端板或其他外部构件施加预紧力，以维持电芯的装配稳定性和界面接触状态；而电池在充放电、温度变化和循环老化过程中又会发生局部膨胀、厚度变化和受压不均。若能够在保持预紧装配状态下获得电池局部压力的变化信息，可为电池状态评估、安全监测和结构优化提供辅助依据。

2、然而，常规柔性压阻传感器的导电敏感层通常直接布置于电极表面，当该类传感器夹设在电池与夹具之间时，装配阶段施加的大预紧载荷容易直接作用于导电敏感层，使导电网络发生过度压缩，进而出现初始电阻偏移、响应提前饱和、循环重复性下降甚至局部失效等问题。在此状态下，电池运行过程中相对于大静态预紧力产生的微小压力增量，容易被初始大载荷背景掩盖，难以被稳定、准确地提取。

技术实现思路

1、本技术提供了一种用于电池预紧工况的分布式分级支撑压力传感器、制作方法以及监测方法，以至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。本技术的技术方案如下：

2、第一方面，本技术实施例提出了一种用于电池预紧工况的分布式分级支撑压力传感器，包括：

3、柔性印刷电路板，所述柔性印刷电路板包括柔性基板以及所述柔性基板上设置有多个叉指电极单元；

4、多通道电阻采集模块，所述多通道电阻采集模块与所述多个叉指电极单元连接；

5、多个与所述叉指电极单元一一对应的支撑敏感复合微结构，所述支撑敏感复合微结构包括载体基底以及其上设置的复合微结构层，所述复合微结构层包括多级支撑框以及位于所述多级支撑框限定区域内的多级敏感层，各所述敏感层包括多个导电敏感突起，所述多级支撑框形成至少两个等效压缩刚度不同的支撑区域，不同级的敏感层的导电敏感突起的高度不同，所述支撑框的初始高度大于所述导电敏感突起的初始高度；所述载体基底的周缘设置有粘接层，所述粘接层的轮廓大于对应叉指电极单元的有效感知区域，所述粘接层的另一侧与所述柔性印刷电路板粘接。

6、在一些实现方式中，所述多级支撑框包括多个同心或类同心的支撑框，位于最内侧的支撑框的内部区域以及相邻支撑框之间的环状区域分别部署不同级的敏感层，所述敏感层内的多个导电敏感突起连续排列或者微重叠排列。

7、在一些实现方式中，所述多级支撑框包括同心设置的三个矩形支撑框，所述多级敏感层包括初始高度依次降低的高敏感层、中敏感层和低敏感层，所述三个矩形支撑框从外向内依次限定的区域分别设置所述高敏感层、中敏感层和低敏感层。

8、在一些实现方式中，所述柔性印刷电路板上阵列布置多个叉指电极单元，所述柔性印刷电路板的外形尺寸是由待测电池的受压表面尺寸决定的。

9、在一些实现方式中，所述支撑框由聚二甲基硅氧烷pdms基胶、固化剂和疏水二氧化硅制备而成，不同级的支撑框的疏水二氧化硅的添加量不同，以形成不同的等效压缩刚度，所述疏水二氧化硅的添加量占所述pdms基胶和固化剂的总质量的0%至4wt%。

10、在一些实现方式中，所述导电敏感突起由多壁碳纳米管和丙烯酸树脂制备而成，所述导电敏感突起呈半球形或类半球形。

11、在一些实现方式中，所述叉指电极单元形成16mm×20mm的有效感知区，所述三个矩形支撑框的外轮廓尺寸分别为18 mm×22mm、12mm×16mm和6mm×10mm，所述支撑框的线宽为1.0 mm，所述支撑框的初始高度为0.60mm；所述高敏感层的初始高度为0.30mm。

12、第二方面，本技术实施例提出了一种分布式分级支撑压力传感器的制作方法，所述分布式分级支撑压力传感器为如第一方面所述的用于电池预紧工况的分布式分级支撑压力传感器，所述方法包括：

13、在柔性基板上，丝网印刷多个阵列排布的叉指电极单元，形成柔性印刷电路板；

14、按照预设质量比混合pdms基胶、固化剂和疏水二氧化硅，制备至少两种支撑框材料，将所述至少两种支撑框材料分别经真空脱泡后装入点胶针筒，通过点胶针筒，利用微电子直写设备在载体基底的表面分区打印所述至少两种支撑框材料，形成等效压缩刚度不同的多级支撑框，并在各支撑框打印后进行加热固化；

15、将多壁碳纳米管分散于丙烯酸树脂中，得到导电敏感材料，利用微电子直写设备在载体基底上位于支撑框所限定的区域内按不同点胶量形成至少两种初始高度不同的敏感层，固化所述敏感层；

16、通过设置于载体基底周缘的粘接层将多个载体基底与柔性印刷电路板贴合，使多个支撑敏感复合微结构与多个叉指电极单元一一对应，各支撑敏感复合微结构的多级支撑框和多级敏感层朝向叉指电极单元且在无外部压力时不与叉指电极单元接触。

17、在一些实现方式中，所述将多壁碳纳米管分散于丙烯酸树脂中，得到导电敏感材料，包括：

18、将多壁碳纳米管在丙酮中经超声分散45min之后，再与丙烯酸树脂混合，并以350r/min搅拌72h。

19、第三方面，本技术实施例提出了一种电池压力增量监测方法，所述方法包括：

20、将权利要求1至7中任一项所述的用于电池预紧工况的分布式分级支撑压力传感器夹设于电池与外部夹具之间；

21、施加电池装配预紧力，以使所述支撑框与所述柔性印刷电路板接触并实现分级压缩，使多级敏感层的导电敏感突起与相应的叉指电极单元依次接触或产生微小初始压缩；

22、在预紧完成状态下，获取各所述叉指电极单元的基线电阻；

23、对电池进行充放电，在此过程中采集各叉指电极单元的实时电阻信号；

24、根据实时电阻信号和基线电阻，得到各叉指电极单元的电阻变化信号，根据各叉指电极单元的电阻变化信号和各叉指电极单元的位置，得到电池受压区域的压力增量分布信息。

25、本技术具有如下优点和有益效果：

26、本技术相对于现有导电敏感层直接承受电池装配载荷的柔性压阻传感器，首先在受力路径上实现了由敏感层直接承载向分级支撑结构优先承载的转变。通过在载体基底朝向柔性印刷电路板的一面构建等效压缩刚度不同的多个支撑区域，使夹具或端板施加的外部大预紧载荷首先经支撑框接触、压缩和分配，而非集中作用于导电敏感突起，该结构能够降低导电敏感突起在装配加载初期发生过度压缩、碳纳米管导电网络过早致密化、通道电阻过早饱和或局部不可逆失效等风险，通过设计分级支撑来抵消外部过大载荷对导电敏感材料的压迫导致其不可逆的损害，从而为传感器在大预紧力背景下保持后续的压力增量响应能力提供结构基础。

27、本技术进一步利用不同初始高度的导电敏感突起构建多级接触和多阈值导通机制。随着预紧力由小到大施加，支撑框先承担主要载荷，不同高度的导电敏感突起随后依次与叉指电极接触或进入微小初始压缩状态；预紧完成后，以各叉指电极所在通道的通道电阻作为基线电阻，电池充放电过程中的局部膨胀、厚度变化或界面压力增量可使已经接触的导电敏感突起进一步受压，和/或使较低高度的导电敏感突起继续参与导通。由此，本技术并非通过保留明显间隙来延后敏感层工作，而是在保持电池预紧装配状态下将微小压力变化转换为相对于基线电阻的变化量，有利于减少初始检测盲区并区分大静态预紧载荷背景与电池运行过程中的微小压力增量。

28、此外，本技术具有良好的分布式监测能力和工况适配性。多个相互独立的叉指电极单元与多通道电阻采集模块配合，可获得不同局部感知区域对应的电阻变化，进而形成电池受压区域的压力增量分布信息，而非仅获得单点或整体平均压力信号。对于软包电池、方壳电池及其他在夹具或端板预紧状态下运行的电化学储能器件，可根据电池外形尺寸、局部受压特征和目标预紧工况，对各支撑区域的压缩刚度、敏感层的级数、阵列数量以及局部感知区域的尺寸进行调整。因此，本技术不仅有助于提高电池大预紧力工况下微小局部压力变化的监测适用性，还有利于为电池状态评估、安全监测和结构优化提供更具空间分辨能力的力学信息。

29、本技术解决了现有柔性压阻传感器在电池与夹具之间承受较大外部预紧力时，导电敏感层易被直接压缩而发生初始电阻偏移、响应饱和、循环重复性下降，并难以在保持预紧装配状态下稳定检测电池充放电过程中微小局部压力变化的问题。

30、本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。