權(quán)利要求

1.一種用于鋰電池壓力檢測的柔性電容傳感器，其特征在于，其包括：

極板，其包括疊放的第一極板(1)和第二極板(4);

介電層(3)，其疊放于所述第一極板(1)和第二極板(4)之間，其靠近所述第一極板(1)的一側(cè)設(shè)置有凸起陣列(31)，均勻分布的凸起構(gòu)成所述凸起陣列(31)，所述凸起陣列(31)的頂部與所述第一極板(1)之間留有間隔，所述凸起的底面積大于所述凸起的頂面積，其為聚合物離子凝膠層，其具有多孔結(jié)構(gòu);

Spacer層(2)，其疊放于所述第一極板(1)和所述介電層(3)之間，其上設(shè)置有沿厚度方向的通孔(21)，其通過所述通孔(21)套設(shè)在所述凸起陣列(31)的外周，其一側(cè)與所述介電層(3)的所述凸起陣列(31)邊緣的表面相貼合，其另一側(cè)與所述第一極板(1)相貼合，其為聚合物凝膠層，其具有多孔結(jié)構(gòu);

所述Spacer層(2)的聚合物的組成和所述介電層(3)的聚合物的組成相對應(yīng)，所述Spacer層(2)的孔隙率和平均孔徑與所述介電層(3)的孔隙率和平均孔徑相對應(yīng)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性電容傳感器，其特征在于，所述Spacer(2)層和所述介電層(3)的孔隙率均為18%~53%。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的柔性電容傳感器，其特征在于，所述Spacer層(2)和所述介電層(3)的聚合物均包括P(VDF-HFP)、PEGDA、PVDF中至少一種。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的柔性電容傳感器，其特征在于，所述柔性電容傳感器未受到壓力時(shí)，所述Spacer層(2)的與所述第一極板(1)相貼合的一側(cè)與所述凸起陣列(31)的頂部之間的距離為120μm~300μm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1~4任一項(xiàng)所述的柔性電容傳感器，其特征在于，以所述介電層(3)的質(zhì)量為基準(zhǔn)，聚合物的質(zhì)量占比為9.1wt%~50wt%。

6.根據(jù)權(quán)利要求1~4任一項(xiàng)所述的柔性電容傳感器，其特征在于，所述介電層(3)為聚合物離子液體凝膠層，離子液體的陰離子包括六氟磷酸根陰離子、四氟硼酸根陰離子、雙三氟甲磺酰亞胺根陰離子、三氟甲磺酸根陰離子、醋酸根陰離子、二氰胺根陰離子、溴陰離子、硫酸乙酯陰離子、硫氫酸根陰離子中至少一種，離子液體的陽離子包括1-乙基-3-甲基咪唑陽離子、1-丁基-3-甲基咪唑陽離子、1-己基-3-甲基咪唑陽離子、1-辛基-3-甲基咪唑陽離子中至少一種。

7.根據(jù)權(quán)利要求1~4任一項(xiàng)所述的柔性電容傳感器，其特征在于，所述凸起為正四棱臺(tái)形。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的柔性電容傳感器，其特征在于，正四棱臺(tái)形凸起的底面邊長為130μm~170μm，頂面邊長為20μm~40μm，高度為80μm~120μm;

和/或，正四棱臺(tái)形凸起的底面邊長、頂面邊長、高度的比為1:0.15~0.25:0.55~0.75。

9.一種權(quán)利要求1~8任一項(xiàng)所述的柔性電容傳感器的制備方法，其特征在于，包括：制備聚合物溶液和聚合物離子混合液;

將所述聚合物離子混合液鋪在帶有凹陷陣列的介電層模具中，將所述聚合物溶液鋪在Spacer層模具中，固化后得到介電層和Spacer層，均勻分布的凹陷構(gòu)成所述凹陷陣列，所述凹陷的開口面積大于所述凹陷的底面積，所述介電層上具有均勻分布的凸起構(gòu)成的凸起陣列，所述凸起的底面積大于所述凸起的頂面積;

制備第一極板和第二極板，依次疊放第一極板、Spacer層、介電層和第二極板，封裝后得到所述柔性電容傳感器，所述封裝包括：所述介電層的所述凸起陣列朝向所述第一極板，所述凸起陣列的頂部與所述第一極板之間留有間隔，Spacer層通過其上的通孔套設(shè)在所述介電層的凸起陣列的外周，Spacer層的一側(cè)與所述介電層的凸起陣列邊緣的表面相貼合，Spacer層的另一側(cè)與所述第一極板相貼合。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備方法，其特征在于，所述聚合物溶液和所述聚合物離子混合液均包括水、聚合物和溶劑，所述聚合物溶液和所述聚合物離子混合液的聚合物和溶劑的質(zhì)量比均為1:8~12且聚合物和水的質(zhì)量比均為1:1~3;所述固化的條件包括室溫下干燥0.25h~0.5h后，在60℃~80℃的烘箱中烘烤24h以上。

說明書

技術(shù)領(lǐng)域

[0001]本發(fā)明屬于傳感器領(lǐng)域，具體地，涉及一種用于鋰電池壓力檢測的柔性電容傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)

[0002]電池是目前新能源汽車的重要?jiǎng)恿υ础楸ＷC電池全生命周期過程的安全性，在電池研發(fā)階段、電池使用階段都需進(jìn)行定期檢測，監(jiān)測電池健康狀態(tài)，以確保汽車可靠安全運(yùn)行。

[0003]電池充放電過程中，內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)、材料膨脹或收縮等原因引起電池表面或內(nèi)部壓力變化，使得電池表面壓力測量技術(shù)有望用于電池健康檢測方面，為了明確電池的健康狀況，例如內(nèi)部材料損耗、電極表面結(jié)構(gòu)變化等，需要高精度高靈敏度的檢測電池表面或內(nèi)部的壓力變化。

[0004]薄膜電容傳感器形式的壓力檢測有望用于檢測電池表面或內(nèi)部壓力，薄膜電容傳感器檢測壓力的基本原理是，當(dāng)傳感器受到力或應(yīng)變時(shí)，薄膜厚度被改變，電容被改變，將電容變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而傳感力或應(yīng)變，然而薄膜電容傳感器的單位壓力變化，對應(yīng)薄膜厚度的改變較小，對應(yīng)電容的改變較小，檢測靈敏度有限，用于檢測電池表面或內(nèi)部壓力時(shí)，難以明確電池的健康狀況。

[0005]需要說明的是，本發(fā)明的該部分內(nèi)容僅提供與本發(fā)明有關(guān)的背景技術(shù)，而并不必然構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)或公知技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

[0006]本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有的薄膜電容傳感器，對壓力的傳感靈敏度有限，導(dǎo)致通過壓力傳感難以明確電池健康狀況的缺陷，提供一種用于鋰電池壓力檢測的柔性電容傳感器及其制備方法，能夠顯著提高傳感靈敏度，從而有利于明確電池健康狀況。

[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，第一方面，本發(fā)明提供了一種用于鋰電池壓力檢測的柔性電容傳感器，包括：

極板，其包括疊放的第一極板和第二極板;

介電層，其疊放于所述第一極板和第二極板之間，其靠近所述第一極板的一側(cè)設(shè)置有凸起陣列，均勻分布的凸起構(gòu)成所述凸起陣列，所述凸起陣列的頂部與所述第一極板之間留有間隔，所述凸起的底面積大于所述凸起的頂面積，其為聚合物離子凝膠層，其具有多孔結(jié)構(gòu);

Spacer層，其疊放于所述第一極板和所述介電層之間，其上設(shè)置有沿厚度方向的通孔，其通過所述通孔套設(shè)在所述凸起陣列的外周，其一側(cè)與所述介電層的所述凸起陣列邊緣的表面相貼合，其另一側(cè)與所述第一極板相貼合，其為聚合物凝膠層，其具有多孔結(jié)構(gòu);

所述Spacer層的聚合物的組成和所述介電層的聚合物的組成相對應(yīng)，所述Spacer層的孔隙率和平均孔徑與所述介電層的孔隙率和平均孔徑相對應(yīng)。

[0008]在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述Spacer層和所述介電層的孔隙率均為18%~53%。

[0009]優(yōu)選地，所述Spacer層和所述介電層的聚合物均包括P(VDF-HFP)、PEGDA、PVDF中至少一種。

[0010]優(yōu)選地，所述柔性電容傳感器未受到壓力時(shí)，所述Spacer層的與所述第一極板相貼合的一側(cè)與所述凸起陣列的頂部之間的距離為120μm~300μm。

[0011]在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，以所述介電層的質(zhì)量為基準(zhǔn)，聚合物的質(zhì)量占比為9.1wt%~50wt%。

[0012]在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述介電層為聚合物離子液體凝膠層，離子液體的陰離子包括六氟磷酸根陰離子、四氟硼酸根陰離子、雙三氟甲磺酰亞胺根陰離子、三氟甲磺酸根陰離子、醋酸根陰離子、二氰胺根陰離子、溴陰離子、硫酸乙酯陰離子、硫氫酸根陰離子中至少一種，離子液體的陽離子包括1-乙基-3-甲基咪唑陽離子、1-丁基-3-甲基咪唑陽離子、1-己基-3-甲基咪唑陽離子、1-辛基-3-甲基咪唑陽離子中至少一種。

[0013]在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述凸起為正四棱臺(tái)形。

[0014]優(yōu)選地，正四棱臺(tái)形凸起的底面邊長為130μm~170μm，頂面邊長為20μm~40μm，高度為80μm~120μm;

和/或，正四棱臺(tái)形凸起的底面邊長、頂面邊長、高度的比為1:0.15~0.25:0.55~0.75。

[0015]第二方面，本發(fā)明提供一種第一方面所述的柔性電容傳感器的制備方法，包括：制備聚合物溶液和聚合物離子混合液;

將所述聚合物離子混合液鋪在帶有凹陷陣列的介電層模具中，將所述聚合物溶液鋪在Spacer層模具中，固化后得到介電層和Spacer層，均勻分布的凹陷構(gòu)成所述凹陷陣列，所述凹陷的開口面積大于所述凹陷的底面積，所述介電層上具有均勻分布的凸起構(gòu)成的凸起陣列，所述凸起的底面積大于所述凸起的頂面積;

制備第一極板和第二極板，依次疊放第一極板、Spacer層、介電層和第二極板，封裝后得到所述柔性電容傳感器，所述封裝包括：所述介電層的所述凸起陣列朝向所述第一極板，所述凸起陣列的頂部與所述第一極板之間留有間隔，Spacer層通過其上的通孔套設(shè)在所述介電層的凸起陣列的外周，Spacer層的一側(cè)與所述介電層的凸起陣列邊緣的表面相貼合，Spacer層的另一側(cè)與所述第一極板相貼合。

[0016]在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述聚合物溶液和所述聚合物離子混合液均包括水、聚合物和溶劑，所述聚合物溶液和所述聚合物離子混合液的聚合物和溶劑的質(zhì)量比均為1:8~12且聚合物和水的質(zhì)量比均為1:1~3;所述固化的條件包括室溫下干燥0.25h~0.5h后，在60℃~80℃的烘箱中烘烤24h以上。

[0017]本發(fā)明的柔性電容傳感器，介電層疊放于第一極板和第二極板之間，介電層靠近第一極板的一側(cè)設(shè)置有均勻分布的凸起的構(gòu)成的凸起陣列，凸起的底面積大于凸起的頂面積，具有凸起陣列的介電層具有多孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)柔性電容傳感器受到的壓力變化時(shí)，介電層和第一極板上的電極的接觸面積被改變，電容被改變，由于凸起的底面積大于凸起的頂面積，具有凸起陣列的介電層具有多孔結(jié)構(gòu)，單位壓力變化對應(yīng)的介電層的凸起陣列的變形大，介電層和第一極板上的電極的接觸面積的變化大，電容的變化大，本發(fā)明將現(xiàn)有壓力改變厚度，厚度改變電容，調(diào)整為壓力改變介電層和電極的接觸面積，接觸面積改變電容，之后通過凸起的底面積大于凸起的頂面積以及凸起的多孔結(jié)構(gòu)，放大單位壓力變化對應(yīng)的介電層和電極的接觸面積的變化從而放大單位壓力變化對應(yīng)的電容變化，能夠顯著提高柔性電容傳感器的傳感靈敏度，當(dāng)其用于鋰電池壓力檢測時(shí)，通過壓力檢測，有利于明確電池健康狀況。

[0018]鋰離子電池想要成為動(dòng)力電源，需要對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)封裝和串聯(lián)，在封裝過程通過壓力固定電池。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，對鋰離子電池施加適當(dāng)?shù)膲毫?，能夠減少活性鋰的損失，減緩電池容量的衰減程度，在適當(dāng)?shù)膲毫Ψ秶鷥?nèi)，隨著電池組裝壓力的增加，電池的循環(huán)壽命會(huì)明顯增加，一定的壓力有利于減緩電池容量衰減、提高電池放電能力以及縮短正負(fù)極之間的距離。為了封裝固定電池和提高電池性能，會(huì)對電池施加到一定的壓力，柔性電容傳感器貼在電池的表面，檢測電池表面或內(nèi)部壓力，通過壓力封裝固定電池時(shí)，柔性電容傳感器也會(huì)受到一定的壓力，當(dāng)電池被固定封裝好還沒有進(jìn)行工作時(shí)，柔性電容傳感器就會(huì)受到一定的壓力，例如會(huì)受到500kpa的壓力，電池在工作過程中，由于內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)、材料膨脹和收縮會(huì)使柔性電容傳感器受到例如800kpa范圍內(nèi)的壓力，然而介電層的凸起陣列的變形范圍是有限的，對應(yīng)的壓力傳感范圍也是有限的，例如只能傳感800kpa范圍內(nèi)的壓力，而此時(shí)封裝固定電池與電池的工作過程給柔性傳感器帶來的壓力之和超出了介電層的凸起陣列的壓力傳感范圍，例如達(dá)到1300kpa。本發(fā)明的用于鋰電池壓力檢測的柔性電容傳感器，介電層的凸起陣列的頂部與第一極板之間留有間隔，Spacer層上設(shè)置有沿厚度方向的通孔，Spacer層通過所述通孔套設(shè)在介電層的凸起陣列的外周，Spacer層的一側(cè)與介電層的凸起陣列邊緣的表面相貼合，Spacer層的另一側(cè)與第一極板相貼合，當(dāng)傳感器受到較小的壓力時(shí)，第一極板只和spacer層接觸，介電層上的凸起陣列不變形，當(dāng)傳感器受到較大的壓力時(shí)，spacer層壓縮使得第一極板與介電層上的凸起陣列相接觸，隨著壓力變化，凸起陣列形狀變化，介電層和第一極板的接觸面積變化，電容變化，通過電容變化，傳感壓力，相比不設(shè)置特定結(jié)構(gòu)和位置關(guān)系的Spacer層和介電層，本發(fā)明封裝固定電池時(shí)，柔性電容傳感器受到的壓力能夠不占用凸起陣列壓力傳感的量程，凸起陣列壓力傳感的量程僅僅用于傳感鋰離子電池工作時(shí)的壓力變化，能夠擴(kuò)寬對鋰離子電池工作狀態(tài)的檢測范圍，能夠更好的通過壓力檢測判斷鋰離子電池的健康狀態(tài)。

[0019]本發(fā)明的介電層和Spacer層的聚合物的組成、孔隙率和平均孔徑相對應(yīng)，能夠使得介電層和Spacer層的彈性模量保持匹配，當(dāng)壓力較大時(shí)，當(dāng)介電層和Spacer層同時(shí)被壓時(shí)，能夠提高壓力和電容之間關(guān)系的線性度。

[0020]隨著壓力增大，介電層的彈性模量變大，介電層具有多孔結(jié)構(gòu)，容易壓縮，隨著壓力增大，介電層和第一極板上的電極的接觸面積的變化也大，彌補(bǔ)了彈性模量變化對傳感器性能的影響，能夠提高壓力和電容之間關(guān)系的線性度。

附圖說明

[0021]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應(yīng)當(dāng)理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實(shí)施例，因此不應(yīng)被看作是對范圍的限定，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關(guān)的附圖。

[0022]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的用于鋰電池壓力檢測的柔性電容傳感器的立體圖。

[0023]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的用于鋰電池壓力檢測的柔性電容傳感器的正視圖。

[0024]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的用于鋰電池壓力檢測的柔性電容傳感器的爆炸立體圖。

[0025]圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的用于鋰電池壓力檢測的柔性電容傳感器的爆炸正視圖。

[0026]圖5為本發(fā)明實(shí)施例1的柔性電容傳感器的介電層橫截面的掃描電鏡照片。

[0027]圖6為本發(fā)明實(shí)施例1的柔性電容傳感器的壓強(qiáng)電容關(guān)系曲線圖。

[0028]圖7為本發(fā)明實(shí)施例1的柔性電容傳感器的響應(yīng)時(shí)間圖。

[0029]圖8為對比例1的柔性電容傳感器的壓強(qiáng)電容關(guān)系曲線圖。

[0030]附圖標(biāo)記說明：

1、第一極板;2、Spacer層;21、通孔;3、介電層;31、凸起陣列;4、第二極板。

具體實(shí)施方式

[0031]在本文中所披露的范圍的端點(diǎn)和任何值都不限于該精確的范圍或值，這些范圍或值應(yīng)當(dāng)理解為包含接近這些范圍或值的值。對于數(shù)值范圍來說，各個(gè)范圍的端點(diǎn)值之間、各個(gè)范圍的端點(diǎn)值和單獨(dú)的點(diǎn)值之間，以及單獨(dú)的點(diǎn)值之間可以彼此組合而得到一個(gè)或多個(gè)新的數(shù)值范圍，這些數(shù)值范圍應(yīng)被視為在本文中具體公開。

[0032]本發(fā)明的發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的薄膜電容傳感器，對壓力的傳感靈敏度有限，導(dǎo)致通過壓力傳感難以明確電池健康狀況。

[0033]對此，第一方面，本發(fā)明提供了一種用于鋰電池壓力檢測的柔性電容傳感器，包括：

極板，其包括疊放的第一極板1和第二極板4;

介電層3，其疊放于所述第一極板1和第二極板4之間，其靠近所述第一極板1的一側(cè)設(shè)置有凸起陣列31，均勻分布的凸起構(gòu)成所述凸起陣列31，所述凸起陣列31的頂部與所述第一極板1之間留有間隔，所述凸起的底面積大于所述凸起的頂面積，其為聚合物離子凝膠層，其具有多孔結(jié)構(gòu);

Spacer層2，其疊放于所述第一極板1和所述介電層3之間，其上設(shè)置有沿厚度方向的通孔21，其通過所述通孔21套設(shè)在所述凸起陣列31的外周，其一側(cè)與所述介電層3的所述凸起陣列31邊緣的表面相貼合，其另一側(cè)與所述第一極板1相貼合，其為聚合物凝膠層，其具有多孔結(jié)構(gòu);

所述Spacer層2的聚合物的組成和所述介電層3的聚合物的組成相對應(yīng)，所述Spacer層2的孔隙率和平均孔徑與所述介電層3的孔隙率和平均孔徑相對應(yīng)。

[0034]本發(fā)明的柔性電容傳感器，包括疊放的第一極板、介電層和第二極板，介電層為聚合物離子凝膠層且具有多孔結(jié)構(gòu)，介電層的靠近第一極板的一側(cè)設(shè)置有凸起陣列，凸起的底面積大于凸起的頂面積，當(dāng)柔性傳感器受到的壓力變化時(shí)，相對單位壓力變化，介電層和第一極板上的電極的接觸面積的變化較大，電容的變化較大，能夠提高柔性電容傳感器的傳感靈敏度，當(dāng)其用于鋰電池壓力檢測時(shí)，通過壓力檢測，有利于明確電池健康狀況。

[0035]然而發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，為了封裝固定電池和提高電池性能，會(huì)對電池施加一定的壓力，柔性電容傳感器貼在電池的表面，檢測電池表面或內(nèi)部壓力，通過壓力封裝固定電池時(shí)，柔性電容傳感器也會(huì)受到一定的壓力，當(dāng)電池被固定封裝好還沒有進(jìn)行工作時(shí)，柔性電容傳感器就會(huì)受到一定的壓力，然而介電層的凸起陣列的變形范圍是有限的，對應(yīng)的壓力傳感范圍也是有限的，而此時(shí)封裝固定電池與電池的工作過程給柔性傳感器帶來的壓力之和容易超出介電層的凸起陣列的壓力傳感范圍，本發(fā)明的柔性電容傳感器，進(jìn)一步地，介電層的凸起陣列的頂部與第一極板之間留有間隔，Spacer層上設(shè)置有沿厚度方向的通孔，Spacer層通過所述通孔套設(shè)在介電層的凸起陣列的外周，Spacer層的一側(cè)與介電層的凸起陣列邊緣的表面相貼合，Spacer層的另一側(cè)與第一極板相貼合，當(dāng)傳感器受到較小的壓力時(shí)，第一極板只和spacer層接觸，壓力僅僅傳遞到spacer層上，第一極板不和介電層上的凸起陣列接觸，電容不變，當(dāng)傳感器受到較大的壓力時(shí)，spacer層壓縮使得第一極板與介電層上的凸起陣列相接觸，隨著壓力變化，凸起陣列形狀變化，介電層和第一極板的接觸面積變化，電容變化，通過電容變化，傳感壓力，相比不設(shè)置特定結(jié)構(gòu)和位置關(guān)系的Spacer層和介電層，本發(fā)明封裝固定電池時(shí)，柔性電容傳感器受到的壓力能夠不占用凸起陣列壓力傳感的量程，凸起陣列壓力傳感的量程僅僅用于傳感鋰離子電池工作時(shí)的壓力變化，能夠擴(kuò)寬對鋰離子電池工作狀態(tài)的檢測范圍，能夠更好的通過壓力檢測判斷鋰離子電池的健康狀態(tài)。

[0036]本發(fā)明可以通過調(diào)整介電層的凸起陣列的頂部與第一極板之間的間隔大小，介電層和Spacer層的孔結(jié)構(gòu)，介電層和Spacer層的聚合物組成，靈活調(diào)整使凸起陣列變形或柔性電容傳感器電容發(fā)生變化的最小壓力。

[0037]本發(fā)明的介電層和Spacer層的聚合物組成、孔隙率和平均孔徑相對應(yīng)，能夠使得介電層和Spacer層的彈性模量保持匹配，當(dāng)壓力較大時(shí)，當(dāng)介電層和Spacer層同時(shí)被壓時(shí)，能夠提高壓力和電容之間關(guān)系的線性度，能夠?qū)毫碗娙葸M(jìn)行擬合分析，能夠更準(zhǔn)確地識(shí)別壓力。

[0038]本發(fā)明柔性電容傳感器的制備方法簡單，可以根據(jù)電池形狀和尺寸制備不同規(guī)格的傳感器陣列，具備便利性。

[0039]本發(fā)明的Spacer層的聚合物的組成和介電層的聚合物的組成相對應(yīng)，指Spacer層的聚合物和介電層的聚合物的組成相接近，例如Spacer層的聚合物和介電層的聚合物均為第一聚合物，或Spacer層的聚合物和介電層的聚合物其中之一除了第一聚合物還包括極少量的第二聚合物，或Spacer層的聚合物和介電層的聚合物均包括第一聚合物、第二聚合物等，每種聚合物的組成接近。本發(fā)明的Spacer層的孔隙率和平均孔徑與介電層的孔隙率和平均孔徑相對應(yīng)，指Spacer層的孔隙率和介電層的孔隙率相接近，Spacer層的平均孔徑和介電層的平均孔徑相接近，其中平均孔徑通過斷面直接觀測法觀測計(jì)算得到，孔截面為不規(guī)則形狀時(shí)，用等效圓直徑表示孔徑，等效圓直徑為與不規(guī)則孔截面面積相同的圓的直徑。

[0040]可以理解地，本發(fā)明的介電層的凸起陣列作為一個(gè)整體，其與極板上的電極作為一個(gè)整體，相對應(yīng)設(shè)置。

[0041]在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述Spacer層和所述介電層的孔隙率均為18%~53%。該優(yōu)選方案下 ，當(dāng)柔性傳感器受到的壓力變化時(shí)，相對單位壓力變化，介電層和第一極板上的電極的接觸面積的變化更大，電容的變化更大，更利于提高柔性電容傳感器的傳感靈敏度，當(dāng)其用于鋰電池壓力檢測時(shí)，通過壓力檢測，更利于明確電池健康狀況。根據(jù)公式P=獲取孔隙率，其中P表示孔隙率，表示多孔材質(zhì)的密度，表示無孔材質(zhì)的密度?？紫堵世鐬?8%、27%、35%、47%和53%。

[0042]優(yōu)選地，所述Spacer層2和所述介電層3的聚合物均包括P(VDF-HFP)、PEGDA、PVDF中至少一種。該優(yōu)選方案下，能夠進(jìn)一步增大單位壓力變化對應(yīng)的介電層和第一極板上的電極的接觸面積的變化以及電容變化，更利于提高柔性電容傳感器的傳感靈敏度，能夠進(jìn)一步增加介電層和Spacer層的回彈性能，更利于縮短柔性電容傳感器的響應(yīng)時(shí)間，能夠進(jìn)一步增加介電層和Spacer層被壓縮變形后恢復(fù)原狀的能力，更利于準(zhǔn)確傳感力。當(dāng)其用于鋰電池壓力檢測時(shí)，通過壓力檢測，更利于準(zhǔn)確判斷電池健康狀況。

[0043]進(jìn)一步優(yōu)選地，所述柔性電容傳感器未受到壓力時(shí)，所述Spacer層的與所述第一極板相貼合的一側(cè)與所述凸起陣列的頂部之間的距離為120μm~300μm。該優(yōu)選方案下，Spacer層和介電層的孔隙率為18%~53%，聚合物包括P(VDF-HFP)、PEGDA、PVDF中至少一種，柔性電容傳感器未受到壓力時(shí)，Spacer層的與第一極板相貼合的一側(cè)與凸起陣列的頂部之間的距離為120μm~300μm，即凸起陣列的頂部與第一極板之間的間隔為120μm~300μm，更利于使得在柔性電容傳感器受到的壓力達(dá)到250kPa~700kpa時(shí)，介電層的凸起陣列開始變形，使得柔性電容傳感器初始具有250kPa~700kpa的預(yù)緊力，封裝固定電池時(shí)，柔性電容傳感器受到的壓力不占用凸起陣列壓力傳感的量程，擴(kuò)寬對鋰離子電池工作狀態(tài)的檢測范圍，且避免鋰離子電池工作過程使得電池表面或內(nèi)部壓力變化時(shí)，由于凸起陣列還沒有變形，無法通過電容變化感應(yīng)鋰離子電池工作過程的壓力變化。柔性電容傳感器未受到壓力時(shí)，Spacer層的與第一極板相貼合的一側(cè)與凸起陣列的頂部之間的距離例如為120μm、150μm、200μm、250μm和300μm。

[0044]在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，以所述介電層3的質(zhì)量為基準(zhǔn)，聚合物的質(zhì)量占比為9.1wt%~50wt%。該優(yōu)選方案下，更利于提高柔性電容傳感器的傳感靈敏度，能夠進(jìn)一步增加介電層的回彈性能，更利于縮短柔性電容傳感器的響應(yīng)時(shí)間，能夠進(jìn)一步增加介電層被壓縮變形后恢復(fù)原狀的能力，更利于準(zhǔn)確傳感力。以所述介電層的質(zhì)量為基準(zhǔn)，聚合物的質(zhì)量占比例如為9.1wt%、10wt%、20wt%、30wt%、40wt%和50wt%。優(yōu)選地，以所述介電層3的質(zhì)量為基準(zhǔn)，聚合物的質(zhì)量占比為9.1wt%~30wt%。

[0045]本發(fā)明對聚合物離子凝膠層的種類不做限定，離子例如可以為離子液體形成的離子、電解質(zhì)鹽形成的離子，例如聚合物離子凝膠層為NaCl-PAM層。在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述介電層3為聚合物離子液體凝膠層，離子液體的陰離子包括六氟磷酸根陰離子、四氟硼酸根陰離子、雙三氟甲磺酰亞胺根陰離子、三氟甲磺酸根陰離子、醋酸根陰離子、二氰胺根陰離子、溴陰離子、硫酸乙酯陰離子、硫氫酸根陰離子中至少一種，離子液體的陽離子包括1-乙基-3-甲基咪唑陽離子、1-丁基-3-甲基咪唑陽離子、1-己基-3-甲基咪唑陽離子、1-辛基-3-甲基咪唑陽離子中至少一種。該優(yōu)選方案下，更利于提高電容傳感器的靈敏度。

[0046]本發(fā)明對凸起的形狀不做限定，例如為圓臺(tái)形、弧形、正四棱臺(tái)形等。在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述凸起為正四棱臺(tái)形。該優(yōu)選方案下，更利于增加凸起陣列的回彈性能，縮短柔性電容傳感器的響應(yīng)時(shí)間，增加凸起陣列被壓縮變形后恢復(fù)原狀的能力，準(zhǔn)確傳感力，增大單位壓力變化對應(yīng)的介電層和第一極板上的電極的接觸面積的變化以及電容變化，提高柔性電容傳感器的傳感靈敏度。

[0047]優(yōu)選地，正四棱臺(tái)形凸起的底面邊長為130μm~170μm，頂面邊長為20μm~40μm，高度為80~120μm;

和/或，正四棱臺(tái)形凸起的底面邊長、頂面邊長、高度的比為1:0.15~0.25: 0.55~0.75。

[0048]該優(yōu)選方案下，更利于增加凸起陣列的回彈性能，縮短傳感器響應(yīng)時(shí)間，增加凸起陣列變形后恢復(fù)原狀的能力，準(zhǔn)確傳感力，提高柔性電容傳感器的傳感靈敏度;增大凸起陣列變形的壓力傳感范圍，擴(kuò)寬對鋰離子電池工作狀態(tài)的檢測范圍。

[0049]在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，本發(fā)明的柔性電容傳感器的線性度為0.99以上，靈敏度為0.73kPa-1~5.43kPa-1，初始預(yù)緊力為250kPa~700kpa。

[0050]第二方面，本發(fā)明提供一種第一方面所述的柔性電容傳感器的制備方法，包括：制備聚合物溶液和聚合物離子混合液;

將所述聚合物離子混合液鋪在帶有凹陷陣列的介電層模具中，將所述聚合物溶液鋪在Spacer層模具中，固化后得到介電層和Spacer層，均勻分布的凹陷構(gòu)成所述凹陷陣列，所述凹陷的開口面積大于所述凹陷的底面積，所述介電層上具有均勻分布的凸起構(gòu)成的凸起陣列，所述凸起的底面積大于所述凸起的頂面積;

制備第一極板和第二極板，依次疊放第一極板、Spacer層、介電層和第二極板，封裝后得到所述柔性電容傳感器，所述封裝包括：所述介電層的所述凸起陣列朝向所述第一極板，所述凸起陣列的頂部與所述第一極板之間留有間隔，Spacer層通過其上的通孔套設(shè)在所述介電層的凸起陣列的外周，Spacer層的一側(cè)與所述介電層的凸起陣列邊緣的表面相貼合，Spacer層的另一側(cè)與所述第一極板相貼合。

[0051]本發(fā)明的柔性電容傳感器的制備方法，通過將組成接近的聚合物溶液和聚合物離子混合液分別鋪在Spacer層模具和介電層模具中，采用接近或相同的條件固化后得到聚合物組成、孔隙率和平均孔徑均接近的介電層和Spacer層，其中聚合物溶液和聚合物離子混合液的組成接近指聚合物溶液中聚合物、溶劑、孔結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)劑等之間的質(zhì)量比例與聚合物離子混合液中聚合物、溶劑、孔結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)劑等之間的質(zhì)量比例接近，溶劑的組成和孔結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)劑等的組成均相接近。本發(fā)明的介電層和Spacer層具有多孔結(jié)構(gòu)，spacer層有粘性，在封裝時(shí)spacer層可以將第一極板、介電層和第二極板連接在一起。

[0052]在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述聚合物溶液和所述聚合物離子混合液均包括水、聚合物和溶劑，所述聚合物溶液和所述聚合物離子混合液的聚合物和溶劑的質(zhì)量比均為1:8~12且聚合物和水的質(zhì)量比均為1:1~3;所述固化的條件包括室溫下干燥0.25h~0.5h后，在60℃~80℃的烘箱中烘烤24h以上。該優(yōu)選方案下，更利于使得所述Spacer層和所述介電層的孔隙率為18%~53%。

[0053]優(yōu)選地，聚合物包括P(VDF-HFP)、PEGDA、PVDF中至少一種，聚合物離子混合液中，以干物質(zhì)的質(zhì)量為基準(zhǔn)，聚合物的質(zhì)量占比為9.1wt%~50wt%。

[0054]優(yōu)選地，所述封裝包括使凸起陣列的頂部與第一極板之間的距離為120μm~300μm。

[0055]在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，聚合物離子混合液為聚合物離子液體混合液，離子液體的陰離子包括六氟磷酸根陰離子、四氟硼酸根陰離子、雙三氟甲磺酰亞胺根陰離子、三氟甲磺酸根陰離子、醋酸根陰離子、二氰胺根陰離子、溴陰離子、硫酸乙酯陰離子、硫氫酸根陰離子中至少一種，離子液體的陽離子包括1-乙基-3-甲基咪唑陽離子、1-丁基-3-甲基咪唑陽離子、1-己基-3-甲基咪唑陽離子、1-辛基-3-甲基咪唑陽離子中至少一種。

[0056]在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述凹陷為正四棱臺(tái)形，凹陷的底面邊長為20μm~40μm，凹陷的開口邊長為130μm~170μm，凹陷的深度為80μm~120μm;和/或，正四棱臺(tái)形凹陷的開口邊長、底面邊長、深度的比為1:0.15~0.25:0.55~0.75。

[0057]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)闡述。

[0058]實(shí)施例1

一種柔性電容傳感器的制備方法，步驟如下：

步驟一：制備聚合物離子液體的混合液，混合液包括P(VDF-HFP)聚合物、[EMIM][TFSI]離子液體、去離子水和三氯甲烷，以混合液的質(zhì)量為基準(zhǔn)，P(VDF-HFP)聚合物的含量為6.25wt%，[EMIM][TFSI]離子液體的含量為18.75wt%，三氯甲烷的含量為62.5%，去離子水的含量為12.5%，混合液中聚合物和溶劑(三氯甲烷)的質(zhì)量比為1:10，聚合物和水的質(zhì)量比為1:2，混合液中聚合物的含量和離子液體的含量之和為25wt%，混合液中以聚合物的含量和離子液體的含量之和(干物質(zhì))為基準(zhǔn)，聚合物的質(zhì)量占比為25wt%;制備聚合物溶液，聚合物溶液包括P(VDF-HFP)聚合物、去離子水和三氯甲烷，以聚合物溶液的質(zhì)量為基準(zhǔn)，P(VDF-HFP)聚合物的含量為7.7wt%，三氯甲烷的含量為76.9wt%，去離子水的含量為15.4wt%，聚合物溶液中聚合物和溶劑(三氯甲烷)的質(zhì)量比為1:10，聚合物和水的質(zhì)量比為1:2;

步驟二：采用超高精度微尺度CNC加工出帶有凹陷陣列的介電層模具，均勻分布的凹陷構(gòu)成凹陷陣列，凹陷為正四棱臺(tái)形凹陷，凹陷的底面邊長為30μm，開口邊長為150μm，深度為100μm，正四棱臺(tái)形凹陷的開口邊長、底面邊長、深度的比為1:0.2:0.67，將步驟1得到的聚合物離子液體的混合液鋪在介電層模具，將步驟一得到的聚合物溶液鋪在Spacer層模具中，固化后，得到介電層和Spacer層，固化依次包括在室溫下干燥0.5h后，在70℃的烘箱中烘烤24h以上，介電層一側(cè)具有凸起陣列，均勻分布的凸起構(gòu)成凸起陣列，凸起為正四棱臺(tái)形凸起，凸起的頂面邊長為30μm，底面邊長為150μm，高度為100μm，正四棱臺(tái)形凸起的底面邊長、頂面邊長、高度的比為1:0.2:0.67;

步驟三：在PI薄膜上絲網(wǎng)印刷電極得到第一極板和第二極板，電極材質(zhì)為Au，依次疊放第一極板、Spacer層、介電層和第二極板，封裝后得到柔性電容傳感器，封裝包括：介電層的凸起陣列朝向第一極板，凸起陣列的頂部與第一極板之間留有間隔，使凸起陣列的頂部與第一極板之間的距離為200μm，Spacer層通過其上的通孔套設(shè)在介電層的凸起陣列的外周，Spacer層的一側(cè)與介電層的凸起陣列邊緣的表面相貼合，Spacer層的另一側(cè)與第一極板相貼合。

[0059]一種柔性電容傳感器，包括極板、介電層和Spacer層;極板包括疊放的第一極板和第二極板;介電層疊放于第一極板和第二極板之間，介電層靠近第一極板的一側(cè)設(shè)置有凸起陣列，均勻分布的凸起構(gòu)成凸起陣列，凸起陣列的頂部與第一極板之間留有間隔，凸起為正四棱臺(tái)形凸起，凸起的頂面邊長為30μm，底面邊長為150μm，高度為100μm，正四棱臺(tái)形凸起的底面邊長、頂面邊長、高度的比為1:0.2:0.67，介電層為具有多孔結(jié)構(gòu)的聚合物離子液體凝膠層;Spacer層疊放于第一極板和介電層之間，Spacer層上設(shè)置有沿厚度方向的通孔，Spacer層通過其上的通孔套設(shè)在介電層的凸起陣列的外周，Spacer層的一側(cè)與介電層的凸起陣列邊緣的表面相貼合，Spacer層的另一側(cè)與第一極板相貼合，Spacer層為具有多孔結(jié)構(gòu)的聚合物凝膠層;Spacer層的聚合物的組成、孔隙率和孔徑分布與介電層的聚合物的組成、孔隙率和孔徑分布相對應(yīng)，Spacer層和介電層的孔隙率均約為27%，介電層包括P(VDF-HFP)聚合物和[EMIM][TFSI]離子液體，以介電層的質(zhì)量為基準(zhǔn)，聚合物的質(zhì)量占比為25wt%，柔性電容傳感器未受到壓力時(shí)，Spacer層的與第一極板相貼合的一側(cè)與凸起陣列的頂部之間的距離為200μm。柔性電容傳感器的結(jié)構(gòu)參見圖1~圖4，介電層的形貌參見圖5。

[0060]實(shí)施例2

參照實(shí)施例1的柔性電容傳感器的制備方法，不同的是，步驟三中，使凸起陣列的頂部與第一極板之間的距離為100μm，參照實(shí)施例1的一種柔性電容傳感器，不同的是，柔性電容傳感器未受到壓力時(shí)，Spacer層的與第一極板相貼合的一側(cè)與凸起陣列的頂部之間的距離為100μm。

[0061]實(shí)施例3

參照實(shí)施例1的柔性電容傳感器的制備方法，不同的是，聚合物為PEGDA。參照實(shí)施例1的一種柔性電容傳感器，不同的是，聚合物為PEGDA。

[0062]實(shí)施例4

參照實(shí)施例1的柔性電容傳感器的制備方法及柔性電容傳感器，不同的是，凹陷的底面邊長為15μm，開口邊長為75μm，深度為80μm，凸起的頂面邊長為15μm，底面邊長為75μm，高度為80μm。

[0063]實(shí)施例5

參照實(shí)施例1的柔性電容傳感器的制備方法及柔性電容傳感器，不同的是，凹陷的底面邊長為40μm，開口邊長為130μm，深度為120μm，凸起的頂面邊長為40μm，底面邊長為130μm，高度為120μm。

[0064]對比例1

參照實(shí)施例1的柔性電容傳感器的制備方法及柔性電容傳感器，不同的是，不在第一極板和介電層之間疊放Spacer層，介電層上的凸起陣列與第一極板相接觸。

[0065]對比例2

參照實(shí)施例1的柔性電容傳感器的制備方法及柔性電容傳感器，不同的是，凹陷的形狀為圓柱，底面半徑為15μm，深度為100μm，凸起的形狀為圓柱，底面半徑為15μm，高度為100μm。

[0066]使用MARK-10品牌Model F105高級(jí)型拉/壓力測試機(jī)，參考《分布式薄膜壓力傳感器技術(shù)規(guī)范》中的測量方式測量上述實(shí)施例和對比例得到的電容傳感器的靈敏度、線性度、初始預(yù)緊力和響應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。靈敏度表示隨著壓強(qiáng)增加，電容的相對增長率，線性度表示電容與壓強(qiáng)之間的相互關(guān)系的線性程度，初始預(yù)緊力表示為了使電容變化向傳感器施加的最小壓強(qiáng)。響應(yīng)時(shí)間表示傳感器從接收到輸入信號(hào)到輸出穩(wěn)定的時(shí)間間隔。實(shí)施例1的壓強(qiáng)電容關(guān)系曲線參見圖6。實(shí)施例1的電容傳感器的響應(yīng)時(shí)間參見圖7。對比例1的壓強(qiáng)電容關(guān)系曲線參見圖8。

[0067]表1

[0068]對比實(shí)施例和對比例1，Spacer層疊放于第一極板和介電層之間，Spacer層上設(shè)置沿厚度方向的通孔，Spacer層通過通孔套設(shè)在介電層的凸起陣列的外周，Spacer層一側(cè)與介電層的凸起陣列邊緣的表面相貼合，Spacer層另一側(cè)與第一極板相貼合，介電層的凸起陣列的頂部與第一極板之間留有間隔，能夠使得傳感器具有初始預(yù)緊力，能夠擴(kuò)寬對鋰離子電池工作狀態(tài)的檢測范圍;對比實(shí)施例和對比例2，凸起的底面積大于凸起的頂面積，能夠提高傳感靈敏度，線性度，縮短響應(yīng)時(shí)間。

[0069]對比實(shí)施例1和實(shí)施例2，柔性電容傳感器未受到壓力時(shí)，Spacer層的與第一極板相貼合的一側(cè)與凸起陣列的頂部之間的距離為120μm~300μm，更利于使得柔性電容傳感器初始具有250kPa~700kpa的預(yù)緊力，封裝固定電池時(shí)，柔性電容傳感器受到的壓力不占用凸起陣列壓力傳感的量程，擴(kuò)寬對鋰離子電池工作狀態(tài)的檢測范圍;對比實(shí)施例1和實(shí)施例3，聚合物P(VDF-HFP)，更利于提高檢測靈敏度;對比實(shí)施例1、4和5，正四棱臺(tái)形凸起的底面邊長為130μm~170μm，頂面邊長為20μm~40μm，高度為80~120μm，正四棱臺(tái)形凸起的底面邊長、頂面邊長、高度的比為1:0.15~0.25:0.55~0.75，更利于提高檢測靈敏度。

[0070]以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于此。在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種簡單變型，包括各個(gè)技術(shù)特征以任何其它的合適方式進(jìn)行組合，這些簡單變型和組合同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開的內(nèi)容，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

說明書附圖(8)