权利要求
1.一种用于
锂电池压力检测的柔性电容传感器，其特征在于，其包括：
极板，其包括叠放的第一极板(1)和第二极板(4);
介电层(3)，其叠放于所述第一极板(1)和第二极板(4)之间，其靠近所述第一极板(1)的一侧设置有凸起阵列(31)，均匀分布的凸起构成所述凸起阵列(31)，所述凸起阵列(31)的顶部与所述第一极板(1)之间留有间隔，所述凸起的底面积大于所述凸起的顶面积，其为聚合物离子凝胶层，其具有多孔结构;
Spacer层(2)，其叠放于所述第一极板(1)和所述介电层(3)之间，其上设置有沿厚度方向的通孔(21)，其通过所述通孔(21)套设在所述凸起阵列(31)的外周，其一侧与所述介电层(3)的所述凸起阵列(31)边缘的表面相贴合，其另一侧与所述第一极板(1)相贴合，其为聚合物凝胶层，其具有多孔结构;
所述Spacer层(2)的聚合物的组成和所述介电层(3)的聚合物的组成相对应，所述Spacer层(2)的孔隙率和平均孔径与所述介电层(3)的孔隙率和平均孔径相对应。
2.根据权利要求1所述的柔性电容传感器，其特征在于，所述Spacer(2)层和所述介电层(3)的孔隙率均为18%~53%。
3.根据权利要求2所述的柔性电容传感器，其特征在于，所述Spacer层(2)和所述介电层(3)的聚合物均包括P(VDF-HFP)、PEGDA、PVDF中至少一种。
4.根据权利要求3所述的柔性电容传感器，其特征在于，所述柔性电容传感器未受到压力时，所述Spacer层(2)的与所述第一极板(1)相贴合的一侧与所述凸起阵列(31)的顶部之间的距离为120μm~300μm。
5.根据权利要求1~4任一项所述的柔性电容传感器，其特征在于，以所述介电层(3)的质量为基准，聚合物的质量占比为9.1wt%~50wt%。
6.根据权利要求1~4任一项所述的柔性电容传感器，其特征在于，所述介电层(3)为聚合物离子液体凝胶层，离子液体的阴离子包括六氟磷酸根阴离子、四氟硼酸根阴离子、双三氟甲磺酰亚胺根阴离子、三氟甲磺酸根阴离子、醋酸根阴离子、二氰胺根阴离子、溴阴离子、硫酸乙酯阴离子、硫氢酸根阴离子中至少一种，离子液体的阳离子包括1-乙基-3-甲基咪唑阳离子、1-丁基-3-甲基咪唑阳离子、1-己基-3-甲基咪唑阳离子、1-辛基-3-甲基咪唑阳离子中至少一种。
7.根据权利要求1~4任一项所述的柔性电容传感器，其特征在于，所述凸起为正四棱台形。
8.根据权利要求7所述的柔性电容传感器，其特征在于，正四棱台形凸起的底面边长为130μm~170μm，顶面边长为20μm~40μm，高度为80μm~120μm;
和/或，正四棱台形凸起的底面边长、顶面边长、高度的比为1:0.15~0.25:0.55~0.75。
9.一种权利要求1~8任一项所述的柔性电容传感器的制备方法，其特征在于，包括：制备聚合物溶液和聚合物离子混合液;
将所述聚合物离子混合液铺在带有凹陷阵列的介电层模具中，将所述聚合物溶液铺在Spacer层模具中，固化后得到介电层和Spacer层，均匀分布的凹陷构成所述凹陷阵列，所述凹陷的开口面积大于所述凹陷的底面积，所述介电层上具有均匀分布的凸起构成的凸起阵列，所述凸起的底面积大于所述凸起的顶面积;
制备第一极板和第二极板，依次叠放第一极板、Spacer层、介电层和第二极板，封装后得到所述柔性电容传感器，所述封装包括：所述介电层的所述凸起阵列朝向所述第一极板，所述凸起阵列的顶部与所述第一极板之间留有间隔，Spacer层通过其上的通孔套设在所述介电层的凸起阵列的外周，Spacer层的一侧与所述介电层的凸起阵列边缘的表面相贴合，Spacer层的另一侧与所述第一极板相贴合。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述聚合物溶液和所述聚合物离子混合液均包括水、聚合物和溶剂，所述聚合物溶液和所述聚合物离子混合液的聚合物和溶剂的质量比均为1:8~12且聚合物和水的质量比均为1:1~3;所述固化的条件包括室温下干燥0.25h~0.5h后，在60℃~80℃的烘箱中烘烤24h以上。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于传感器领域，具体地，涉及一种用于锂电池压力检测的柔性电容传感器及其制备方法。
背景技术
[0002]电池是目前
新能源汽车的重要动力源。为保证电池全生命周期过程的安全性，在电池研发阶段、电池使用阶段都需进行定期检测，监测电池健康状态，以确保汽车可靠安全运行。
[0003]电池充放电过程中，内部化学反应、材料膨胀或收缩等原因引起电池表面或内部压力变化，使得电池表面压力测量技术有望用于电池健康检测方面，为了明确电池的健康状况，例如内部材料损耗、电极表面结构变化等，需要高精度高灵敏度的检测电池表面或内部的压力变化。
[0004]薄膜电容传感器形式的压力检测有望用于检测电池表面或内部压力，薄膜电容传感器检测压力的基本原理是，当传感器受到力或应变时，薄膜厚度被改变，电容被改变，将电容变化转换为电信号，从而传感力或应变，然而薄膜电容传感器的单位压力变化，对应薄膜厚度的改变较小，对应电容的改变较小，检测灵敏度有限，用于检测电池表面或内部压力时，难以明确电池的健康状况。
[0005]需要说明的是，本发明的该部分内容仅提供与本发明有关的背景技术，而并不必然构成现有技术或公知技术。
发明内容
[0006]本发明的目的是为了克服现有的薄膜电容传感器，对压力的传感灵敏度有限，导致通过压力传感难以明确电池健康状况的缺陷，提供一种用于锂电池压力检测的柔性电容传感器及其制备方法，能够显著提高传感灵敏度，从而有利于明确电池健康状况。
[0007]为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种用于锂电池压力检测的柔性电容传感器，包括：
极板，其包括叠放的第一极板和第二极板;
介电层，其叠放于所述第一极板和第二极板之间，其靠近所述第一极板的一侧设置有凸起阵列，均匀分布的凸起构成所述凸起阵列，所述凸起阵列的顶部与所述第一极板之间留有间隔，所述凸起的底面积大于所述凸起的顶面积，其为聚合物离子凝胶层，其具有多孔结构;
Spacer层，其叠放于所述第一极板和所述介电层之间，其上设置有沿厚度方向的通孔，其通过所述通孔套设在所述凸起阵列的外周，其一侧与所述介电层的所述凸起阵列边缘的表面相贴合，其另一侧与所述第一极板相贴合，其为聚合物凝胶层，其具有多孔结构;
所述Spacer层的聚合物的组成和所述介电层的聚合物的组成相对应，所述Spacer层的孔隙率和平均孔径与所述介电层的孔隙率和平均孔径相对应。
[0008]在一些优选的实施方式中，所述Spacer层和所述介电层的孔隙率均为18%~53%。
[0009]优选地，所述Spacer层和所述介电层的聚合物均包括P(VDF-HFP)、PEGDA、PVDF中至少一种。
[0010]优选地，所述柔性电容传感器未受到压力时，所述Spacer层的与所述第一极板相贴合的一侧与所述凸起阵列的顶部之间的距离为120μm~300μm。
[0011]在一些优选的实施方式中，以所述介电层的质量为基准，聚合物的质量占比为9.1wt%~50wt%。
[0012]在一些优选的实施方式中，所述介电层为聚合物离子液体凝胶层，离子液体的阴离子包括六氟磷酸根阴离子、四氟硼酸根阴离子、双三氟甲磺酰亚胺根阴离子、三氟甲磺酸根阴离子、醋酸根阴离子、二氰胺根阴离子、溴阴离子、硫酸乙酯阴离子、硫氢酸根阴离子中至少一种，离子液体的阳离子包括1-乙基-3-甲基咪唑阳离子、1-丁基-3-甲基咪唑阳离子、1-己基-3-甲基咪唑阳离子、1-辛基-3-甲基咪唑阳离子中至少一种。
[0013]在一些优选的实施方式中，所述凸起为正四棱台形。
[0014]优选地，正四棱台形凸起的底面边长为130μm~170μm，顶面边长为20μm~40μm，高度为80μm~120μm;
和/或，正四棱台形凸起的底面边长、顶面边长、高度的比为1:0.15~0.25:0.55~0.75。
[0015]第二方面，本发明提供一种第一方面所述的柔性电容传感器的制备方法，包括：制备聚合物溶液和聚合物离子混合液;
将所述聚合物离子混合液铺在带有凹陷阵列的介电层模具中，将所述聚合物溶液铺在Spacer层模具中，固化后得到介电层和Spacer层，均匀分布的凹陷构成所述凹陷阵列，所述凹陷的开口面积大于所述凹陷的底面积，所述介电层上具有均匀分布的凸起构成的凸起阵列，所述凸起的底面积大于所述凸起的顶面积;
制备第一极板和第二极板，依次叠放第一极板、Spacer层、介电层和第二极板，封装后得到所述柔性电容传感器，所述封装包括：所述介电层的所述凸起阵列朝向所述第一极板，所述凸起阵列的顶部与所述第一极板之间留有间隔，Spacer层通过其上的通孔套设在所述介电层的凸起阵列的外周，Spacer层的一侧与所述介电层的凸起阵列边缘的表面相贴合，Spacer层的另一侧与所述第一极板相贴合。
[0016]在一些优选的实施方式中，所述聚合物溶液和所述聚合物离子混合液均包括水、聚合物和溶剂，所述聚合物溶液和所述聚合物离子混合液的聚合物和溶剂的质量比均为1:8~12且聚合物和水的质量比均为1:1~3;所述固化的条件包括室温下干燥0.25h~0.5h后，在60℃~80℃的烘箱中烘烤24h以上。
[0017]本发明的柔性电容传感器，介电层叠放于第一极板和第二极板之间，介电层靠近第一极板的一侧设置有均匀分布的凸起的构成的凸起阵列，凸起的底面积大于凸起的顶面积，具有凸起阵列的介电层具有多孔结构，当柔性电容传感器受到的压力变化时，介电层和第一极板上的电极的接触面积被改变，电容被改变，由于凸起的底面积大于凸起的顶面积，具有凸起阵列的介电层具有多孔结构，单位压力变化对应的介电层的凸起阵列的变形大，介电层和第一极板上的电极的接触面积的变化大，电容的变化大，本发明将现有压力改变厚度，厚度改变电容，调整为压力改变介电层和电极的接触面积，接触面积改变电容，之后通过凸起的底面积大于凸起的顶面积以及凸起的多孔结构，放大单位压力变化对应的介电层和电极的接触面积的变化从而放大单位压力变化对应的电容变化，能够显著提高柔性电容传感器的传感灵敏度，当其用于锂电池压力检测时，通过压力检测，有利于明确电池健康状况。
[0018]锂离子电池想要成为动力电源，需要对其进行结构封装和串联，在封装过程通过压力固定电池。发明人发现，对锂离子电池施加适当的压力，能够减少活性锂的损失，减缓电池容量的衰减程度，在适当的压力范围内，随着电池组装压力的增加，电池的循环寿命会明显增加，一定的压力有利于减缓电池容量衰减、提高电池放电能力以及缩短正负极之间的距离。为了封装固定电池和提高电池性能，会对电池施加到一定的压力，柔性电容传感器贴在电池的表面，检测电池表面或内部压力，通过压力封装固定电池时，柔性电容传感器也会受到一定的压力，当电池被固定封装好还没有进行工作时，柔性电容传感器就会受到一定的压力，例如会受到500kpa的压力，电池在工作过程中，由于内部化学反应、材料膨胀和收缩会使柔性电容传感器受到例如800kpa范围内的压力，然而介电层的凸起阵列的变形范围是有限的，对应的压力传感范围也是有限的，例如只能传感800kpa范围内的压力，而此时封装固定电池与电池的工作过程给柔性传感器带来的压力之和超出了介电层的凸起阵列的压力传感范围，例如达到1300kpa。本发明的用于锂电池压力检测的柔性电容传感器，介电层的凸起阵列的顶部与第一极板之间留有间隔，Spacer层上设置有沿厚度方向的通孔，Spacer层通过所述通孔套设在介电层的凸起阵列的外周，Spacer层的一侧与介电层的凸起阵列边缘的表面相贴合，Spacer层的另一侧与第一极板相贴合，当传感器受到较小的压力时，第一极板只和spacer层接触，介电层上的凸起阵列不变形，当传感器受到较大的压力时，spacer层压缩使得第一极板与介电层上的凸起阵列相接触，随着压力变化，凸起阵列形状变化，介电层和第一极板的接触面积变化，电容变化，通过电容变化，传感压力，相比不设置特定结构和位置关系的Spacer层和介电层，本发明封装固定电池时，柔性电容传感器受到的压力能够不占用凸起阵列压力传感的量程，凸起阵列压力传感的量程仅仅用于传感锂离子电池工作时的压力变化，能够扩宽对锂离子电池工作状态的检测范围，能够更好的通过压力检测判断锂离子电池的健康状态。
[0019]本发明的介电层和Spacer层的聚合物的组成、孔隙率和平均孔径相对应，能够使得介电层和Spacer层的弹性模量保持匹配，当压力较大时，当介电层和Spacer层同时被压时，能够提高压力和电容之间关系的线性度。
[0020]随着压力增大，介电层的弹性模量变大，介电层具有多孔结构，容易压缩，随着压力增大，介电层和第一极板上的电极的接触面积的变化也大，弥补了弹性模量变化对传感器性能的影响，能够提高压力和电容之间关系的线性度。
附图说明
[0021]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0022]图1为本发明实施例1的用于锂电池压力检测的柔性电容传感器的立体图。
[0023]图2为本发明实施例1的用于锂电池压力检测的柔性电容传感器的正视图。
[0024]图3为本发明实施例1的用于锂电池压力检测的柔性电容传感器的爆炸立体图。
[0025]图4为本发明实施例1的用于锂电池压力检测的柔性电容传感器的爆炸正视图。
[0026]图5为本发明实施例1的柔性电容传感器的介电层横截面的扫描电镜照片。
[0027]图6为本发明实施例1的柔性电容传感器的压强电容关系曲线图。
[0028]图7为本发明实施例1的柔性电容传感器的响应时间图。
[0029]图8为对比例1的柔性电容传感器的压强电容关系曲线图。
[0030]附图标记说明：
1、第一极板;2、Spacer层;21、通孔;3、介电层;31、凸起阵列;4、第二极板。
具体实施方式
[0031]在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
[0032]本发明的发明人研究发现现有的薄膜电容传感器，对压力的传感灵敏度有限，导致通过压力传感难以明确电池健康状况。
[0033]对此，第一方面，本发明提供了一种用于锂电池压力检测的柔性电容传感器，包括：
极板，其包括叠放的第一极板1和第二极板4;
介电层3，其叠放于所述第一极板1和第二极板4之间，其靠近所述第一极板1的一侧设置有凸起阵列31，均匀分布的凸起构成所述凸起阵列31，所述凸起阵列31的顶部与所述第一极板1之间留有间隔，所述凸起的底面积大于所述凸起的顶面积，其为聚合物离子凝胶层，其具有多孔结构;
Spacer层2，其叠放于所述第一极板1和所述介电层3之间，其上设置有沿厚度方向的通孔21，其通过所述通孔21套设在所述凸起阵列31的外周，其一侧与所述介电层3的所述凸起阵列31边缘的表面相贴合，其另一侧与所述第一极板1相贴合，其为聚合物凝胶层，其具有多孔结构;
所述Spacer层2的聚合物的组成和所述介电层3的聚合物的组成相对应，所述Spacer层2的孔隙率和平均孔径与所述介电层3的孔隙率和平均孔径相对应。
[0034]本发明的柔性电容传感器，包括叠放的第一极板、介电层和第二极板，介电层为聚合物离子凝胶层且具有多孔结构，介电层的靠近第一极板的一侧设置有凸起阵列，凸起的底面积大于凸起的顶面积，当柔性传感器受到的压力变化时，相对单位压力变化，介电层和第一极板上的电极的接触面积的变化较大，电容的变化较大，能够提高柔性电容传感器的传感灵敏度，当其用于锂电池压力检测时，通过压力检测，有利于明确电池健康状况。
[0035]然而发明人发现，为了封装固定电池和提高电池性能，会对电池施加一定的压力，柔性电容传感器贴在电池的表面，检测电池表面或内部压力，通过压力封装固定电池时，柔性电容传感器也会受到一定的压力，当电池被固定封装好还没有进行工作时，柔性电容传感器就会受到一定的压力，然而介电层的凸起阵列的变形范围是有限的，对应的压力传感范围也是有限的，而此时封装固定电池与电池的工作过程给柔性传感器带来的压力之和容易超出介电层的凸起阵列的压力传感范围，本发明的柔性电容传感器，进一步地，介电层的凸起阵列的顶部与第一极板之间留有间隔，Spacer层上设置有沿厚度方向的通孔，Spacer层通过所述通孔套设在介电层的凸起阵列的外周，Spacer层的一侧与介电层的凸起阵列边缘的表面相贴合，Spacer层的另一侧与第一极板相贴合，当传感器受到较小的压力时，第一极板只和spacer层接触，压力仅仅传递到spacer层上，第一极板不和介电层上的凸起阵列接触，电容不变，当传感器受到较大的压力时，spacer层压缩使得第一极板与介电层上的凸起阵列相接触，随着压力变化，凸起阵列形状变化，介电层和第一极板的接触面积变化，电容变化，通过电容变化，传感压力，相比不设置特定结构和位置关系的Spacer层和介电层，本发明封装固定电池时，柔性电容传感器受到的压力能够不占用凸起阵列压力传感的量程，凸起阵列压力传感的量程仅仅用于传感锂离子电池工作时的压力变化，能够扩宽对锂离子电池工作状态的检测范围，能够更好的通过压力检测判断锂离子电池的健康状态。
[0036]本发明可以通过调整介电层的凸起阵列的顶部与第一极板之间的间隔大小，介电层和Spacer层的孔结构，介电层和Spacer层的聚合物组成，灵活调整使凸起阵列变形或柔性电容传感器电容发生变化的最小压力。
[0037]本发明的介电层和Spacer层的聚合物组成、孔隙率和平均孔径相对应，能够使得介电层和Spacer层的弹性模量保持匹配，当压力较大时，当介电层和Spacer层同时被压时，能够提高压力和电容之间关系的线性度，能够将压力和电容进行拟合分析，能够更准确地识别压力。
[0038]本发明柔性电容传感器的制备方法简单，可以根据电池形状和尺寸制备不同规格的传感器阵列，具备便利性。
[0039]本发明的Spacer层的聚合物的组成和介电层的聚合物的组成相对应，指Spacer层的聚合物和介电层的聚合物的组成相接近，例如Spacer层的聚合物和介电层的聚合物均为第一聚合物，或Spacer层的聚合物和介电层的聚合物其中之一除了第一聚合物还包括极少量的第二聚合物，或Spacer层的聚合物和介电层的聚合物均包括第一聚合物、第二聚合物等，每种聚合物的组成接近。本发明的Spacer层的孔隙率和平均孔径与介电层的孔隙率和平均孔径相对应，指Spacer层的孔隙率和介电层的孔隙率相接近，Spacer层的平均孔径和介电层的平均孔径相接近，其中平均孔径通过断面直接观测法观测计算得到，孔截面为不规则形状时，用等效圆直径表示孔径，等效圆直径为与不规则孔截面面积相同的圆的直径。
[0040]可以理解地，本发明的介电层的凸起阵列作为一个整体，其与极板上的电极作为一个整体，相对应设置。
[0041]在一些优选的实施方式中，所述Spacer层和所述介电层的孔隙率均为18%~53%。该优选方案下 ，当柔性传感器受到的压力变化时，相对单位压力变化，介电层和第一极板上的电极的接触面积的变化更大，电容的变化更大，更利于提高柔性电容传感器的传感灵敏度，当其用于锂电池压力检测时，通过压力检测，更利于明确电池健康状况。根据公式P=
获取孔隙率，其中P表示孔隙率，表示多孔材质的密度，表示无孔材质的密度。孔隙率例如为18%、27%、35%、47%和53%。
[0042]优选地，所述Spacer层2和所述介电层3的聚合物均包括P(VDF-HFP)、PEGDA、PVDF中至少一种。该优选方案下，能够进一步增大单位压力变化对应的介电层和第一极板上的电极的接触面积的变化以及电容变化，更利于提高柔性电容传感器的传感灵敏度，能够进一步增加介电层和Spacer层的回弹性能，更利于缩短柔性电容传感器的响应时间，能够进一步增加介电层和Spacer层被压缩变形后恢复原状的能力，更利于准确传感力。当其用于锂电池压力检测时，通过压力检测，更利于准确判断电池健康状况。
[0043]进一步优选地，所述柔性电容传感器未受到压力时，所述Spacer层的与所述第一极板相贴合的一侧与所述凸起阵列的顶部之间的距离为120μm~300μm。该优选方案下，Spacer层和介电层的孔隙率为18%~53%，聚合物包括P(VDF-HFP)、PEGDA、PVDF中至少一种，柔性电容传感器未受到压力时，Spacer层的与第一极板相贴合的一侧与凸起阵列的顶部之间的距离为120μm~300μm，即凸起阵列的顶部与第一极板之间的间隔为120μm~300μm，更利于使得在柔性电容传感器受到的压力达到250kPa~700kpa时，介电层的凸起阵列开始变形，使得柔性电容传感器初始具有250kPa~700kpa的预紧力，封装固定电池时，柔性电容传感器受到的压力不占用凸起阵列压力传感的量程，扩宽对锂离子电池工作状态的检测范围，且避免锂离子电池工作过程使得电池表面或内部压力变化时，由于凸起阵列还没有变形，无法通过电容变化感应锂离子电池工作过程的压力变化。柔性电容传感器未受到压力时，Spacer层的与第一极板相贴合的一侧与凸起阵列的顶部之间的距离例如为120μm、150μm、200μm、250μm和300μm。
[0044]在一些优选的实施方式中，以所述介电层3的质量为基准，聚合物的质量占比为9.1wt%~50wt%。该优选方案下，更利于提高柔性电容传感器的传感灵敏度，能够进一步增加介电层的回弹性能，更利于缩短柔性电容传感器的响应时间，能够进一步增加介电层被压缩变形后恢复原状的能力，更利于准确传感力。以所述介电层的质量为基准，聚合物的质量占比例如为9.1wt%、10wt%、20wt%、30wt%、40wt%和50wt%。优选地，以所述介电层3的质量为基准，聚合物的质量占比为9.1wt%~30wt%。
[0045]本发明对聚合物离子凝胶层的种类不做限定，离子例如可以为离子液体形成的离子、电解质盐形成的离子，例如聚合物离子凝胶层为NaCl-PAM层。在一些优选的实施方式中，所述介电层3为聚合物离子液体凝胶层，离子液体的阴离子包括六氟磷酸根阴离子、四氟硼酸根阴离子、双三氟甲磺酰亚胺根阴离子、三氟甲磺酸根阴离子、醋酸根阴离子、二氰胺根阴离子、溴阴离子、硫酸乙酯阴离子、硫氢酸根阴离子中至少一种，离子液体的阳离子包括1-乙基-3-甲基咪唑阳离子、1-丁基-3-甲基咪唑阳离子、1-己基-3-甲基咪唑阳离子、1-辛基-3-甲基咪唑阳离子中至少一种。该优选方案下，更利于提高电容传感器的灵敏度。
[0046]本发明对凸起的形状不做限定，例如为圆台形、弧形、正四棱台形等。在一些优选的实施方式中，所述凸起为正四棱台形。该优选方案下，更利于增加凸起阵列的回弹性能，缩短柔性电容传感器的响应时间，增加凸起阵列被压缩变形后恢复原状的能力，准确传感力，增大单位压力变化对应的介电层和第一极板上的电极的接触面积的变化以及电容变化，提高柔性电容传感器的传感灵敏度。
[0047]优选地，正四棱台形凸起的底面边长为130μm~170μm，顶面边长为20μm~40μm，高度为80~120μm;
和/或，正四棱台形凸起的底面边长、顶面边长、高度的比为1:0.15~0.25: 0.55~0.75。
[0048]该优选方案下，更利于增加凸起阵列的回弹性能，缩短传感器响应时间，增加凸起阵列变形后恢复原状的能力，准确传感力，提高柔性电容传感器的传感灵敏度;增大凸起阵列变形的压力传感范围，扩宽对锂离子电池工作状态的检测范围。
[0049]在一些优选的实施方式中，本发明的柔性电容传感器的线性度为0.99以上，灵敏度为0.73kPa-1~5.43kPa-1，初始预紧力为250kPa~700kpa。
[0050]第二方面，本发明提供一种第一方面所述的柔性电容传感器的制备方法，包括：制备聚合物溶液和聚合物离子混合液;
将所述聚合物离子混合液铺在带有凹陷阵列的介电层模具中，将所述聚合物溶液铺在Spacer层模具中，固化后得到介电层和Spacer层，均匀分布的凹陷构成所述凹陷阵列，所述凹陷的开口面积大于所述凹陷的底面积，所述介电层上具有均匀分布的凸起构成的凸起阵列，所述凸起的底面积大于所述凸起的顶面积;
制备第一极板和第二极板，依次叠放第一极板、Spacer层、介电层和第二极板，封装后得到所述柔性电容传感器，所述封装包括：所述介电层的所述凸起阵列朝向所述第一极板，所述凸起阵列的顶部与所述第一极板之间留有间隔，Spacer层通过其上的通孔套设在所述介电层的凸起阵列的外周，Spacer层的一侧与所述介电层的凸起阵列边缘的表面相贴合，Spacer层的另一侧与所述第一极板相贴合。
[0051]本发明的柔性电容传感器的制备方法，通过将组成接近的聚合物溶液和聚合物离子混合液分别铺在Spacer层模具和介电层模具中，采用接近或相同的条件固化后得到聚合物组成、孔隙率和平均孔径均接近的介电层和Spacer层，其中聚合物溶液和聚合物离子混合液的组成接近指聚合物溶液中聚合物、溶剂、孔结构调节剂等之间的质量比例与聚合物离子混合液中聚合物、溶剂、孔结构调节剂等之间的质量比例接近，溶剂的组成和孔结构调节剂等的组成均相接近。本发明的介电层和Spacer层具有多孔结构，spacer层有粘性，在封装时spacer层可以将第一极板、介电层和第二极板连接在一起。
[0052]在一些优选的实施方式中，所述聚合物溶液和所述聚合物离子混合液均包括水、聚合物和溶剂，所述聚合物溶液和所述聚合物离子混合液的聚合物和溶剂的质量比均为1:8~12且聚合物和水的质量比均为1:1~3;所述固化的条件包括室温下干燥0.25h~0.5h后，在60℃~80℃的烘箱中烘烤24h以上。该优选方案下，更利于使得所述Spacer层和所述介电层的孔隙率为18%~53%。
[0053]优选地，聚合物包括P(VDF-HFP)、PEGDA、PVDF中至少一种，聚合物离子混合液中，以干物质的质量为基准，聚合物的质量占比为9.1wt%~50wt%。
[0054]优选地，所述封装包括使凸起阵列的顶部与第一极板之间的距离为120μm~300μm。
[0055]在一些优选的实施方式中，聚合物离子混合液为聚合物离子液体混合液，离子液体的阴离子包括六氟磷酸根阴离子、四氟硼酸根阴离子、双三氟甲磺酰亚胺根阴离子、三氟甲磺酸根阴离子、醋酸根阴离子、二氰胺根阴离子、溴阴离子、硫酸乙酯阴离子、硫氢酸根阴离子中至少一种，离子液体的阳离子包括1-乙基-3-甲基咪唑阳离子、1-丁基-3-甲基咪唑阳离子、1-己基-3-甲基咪唑阳离子、1-辛基-3-甲基咪唑阳离子中至少一种。
[0056]在一些优选的实施方式中，所述凹陷为正四棱台形，凹陷的底面边长为20μm~40μm，凹陷的开口边长为130μm~170μm，凹陷的深度为80μm~120μm;和/或，正四棱台形凹陷的开口边长、底面边长、深度的比为1:0.15~0.25:0.55~0.75。
[0057]下面结合具体实施例对本发明进行进一步详细阐述。
[0058]实施例1
一种柔性电容传感器的制备方法，步骤如下：
步骤一：制备聚合物离子液体的混合液，混合液包括P(VDF-HFP)聚合物、[EMIM][TFSI]离子液体、去离子水和三氯甲烷，以混合液的质量为基准，P(VDF-HFP)聚合物的含量为6.25wt%，[EMIM][TFSI]离子液体的含量为18.75wt%，三氯甲烷的含量为62.5%，去离子水的含量为12.5%，混合液中聚合物和溶剂(三氯甲烷)的质量比为1:10，聚合物和水的质量比为1:2，混合液中聚合物的含量和离子液体的含量之和为25wt%，混合液中以聚合物的含量和离子液体的含量之和(干物质)为基准，聚合物的质量占比为25wt%;制备聚合物溶液，聚合物溶液包括P(VDF-HFP)聚合物、去离子水和三氯甲烷，以聚合物溶液的质量为基准，P(VDF-HFP)聚合物的含量为7.7wt%，三氯甲烷的含量为76.9wt%，去离子水的含量为15.4wt%，聚合物溶液中聚合物和溶剂(三氯甲烷)的质量比为1:10，聚合物和水的质量比为1:2;
步骤二：采用超高精度微尺度CNC加工出带有凹陷阵列的介电层模具，均匀分布的凹陷构成凹陷阵列，凹陷为正四棱台形凹陷，凹陷的底面边长为30μm，开口边长为150μm，深度为100μm，正四棱台形凹陷的开口边长、底面边长、深度的比为1:0.2:0.67，将步骤1得到的聚合物离子液体的混合液铺在介电层模具，将步骤一得到的聚合物溶液铺在Spacer层模具中，固化后，得到介电层和Spacer层，固化依次包括在室温下干燥0.5h后，在70℃的烘箱中烘烤24h以上，介电层一侧具有凸起阵列，均匀分布的凸起构成凸起阵列，凸起为正四棱台形凸起，凸起的顶面边长为30μm，底面边长为150μm，高度为100μm，正四棱台形凸起的底面边长、顶面边长、高度的比为1:0.2:0.67;
步骤三：在PI薄膜上丝网印刷电极得到第一极板和第二极板，电极材质为Au，依次叠放第一极板、Spacer层、介电层和第二极板，封装后得到柔性电容传感器，封装包括：介电层的凸起阵列朝向第一极板，凸起阵列的顶部与第一极板之间留有间隔，使凸起阵列的顶部与第一极板之间的距离为200μm，Spacer层通过其上的通孔套设在介电层的凸起阵列的外周，Spacer层的一侧与介电层的凸起阵列边缘的表面相贴合，Spacer层的另一侧与第一极板相贴合。
[0059]一种柔性电容传感器，包括极板、介电层和Spacer层;极板包括叠放的第一极板和第二极板;介电层叠放于第一极板和第二极板之间，介电层靠近第一极板的一侧设置有凸起阵列，均匀分布的凸起构成凸起阵列，凸起阵列的顶部与第一极板之间留有间隔，凸起为正四棱台形凸起，凸起的顶面边长为30μm，底面边长为150μm，高度为100μm，正四棱台形凸起的底面边长、顶面边长、高度的比为1:0.2:0.67，介电层为具有多孔结构的聚合物离子液体凝胶层;Spacer层叠放于第一极板和介电层之间，Spacer层上设置有沿厚度方向的通孔，Spacer层通过其上的通孔套设在介电层的凸起阵列的外周，Spacer层的一侧与介电层的凸起阵列边缘的表面相贴合，Spacer层的另一侧与第一极板相贴合，Spacer层为具有多孔结构的聚合物凝胶层;Spacer层的聚合物的组成、孔隙率和孔径分布与介电层的聚合物的组成、孔隙率和孔径分布相对应，Spacer层和介电层的孔隙率均约为27%，介电层包括P(VDF-HFP)聚合物和[EMIM][TFSI]离子液体，以介电层的质量为基准，聚合物的质量占比为25wt%，柔性电容传感器未受到压力时，Spacer层的与第一极板相贴合的一侧与凸起阵列的顶部之间的距离为200μm。柔性电容传感器的结构参见图1~图4，介电层的形貌参见图5。
[0060]实施例2
参照实施例1的柔性电容传感器的制备方法，不同的是，步骤三中，使凸起阵列的顶部与第一极板之间的距离为100μm，参照实施例1的一种柔性电容传感器，不同的是，柔性电容传感器未受到压力时，Spacer层的与第一极板相贴合的一侧与凸起阵列的顶部之间的距离为100μm。
[0061]实施例3
参照实施例1的柔性电容传感器的制备方法，不同的是，聚合物为PEGDA。参照实施例1的一种柔性电容传感器，不同的是，聚合物为PEGDA。
[0062]实施例4
参照实施例1的柔性电容传感器的制备方法及柔性电容传感器，不同的是，凹陷的底面边长为15μm，开口边长为75μm，深度为80μm，凸起的顶面边长为15μm，底面边长为75μm，高度为80μm。
[0063]实施例5
参照实施例1的柔性电容传感器的制备方法及柔性电容传感器，不同的是，凹陷的底面边长为40μm，开口边长为130μm，深度为120μm，凸起的顶面边长为40μm，底面边长为130μm，高度为120μm。
[0064]对比例1
参照实施例1的柔性电容传感器的制备方法及柔性电容传感器，不同的是，不在第一极板和介电层之间叠放Spacer层，介电层上的凸起阵列与第一极板相接触。
[0065]对比例2
参照实施例1的柔性电容传感器的制备方法及柔性电容传感器，不同的是，凹陷的形状为圆柱，底面半径为15μm，深度为100μm，凸起的形状为圆柱，底面半径为15μm，高度为100μm。
[0066]使用MARK-10品牌Model F105高级型拉/压力测试机，参考《分布式薄膜压力传感器技术规范》中的测量方式测量上述实施例和对比例得到的电容传感器的灵敏度、线性度、初始预紧力和响应时间数据，结果如表1所示。灵敏度表示随着压强增加，电容的相对增长率，线性度表示电容与压强之间的相互关系的线性程度，初始预紧力表示为了使电容变化向传感器施加的最小压强。响应时间表示传感器从接收到输入信号到输出稳定的时间间隔。实施例1的压强电容关系曲线参见图6。实施例1的电容传感器的响应时间参见图7。对比例1的压强电容关系曲线参见图8。
[0067]表1
[0068]对比实施例和对比例1，Spacer层叠放于第一极板和介电层之间，Spacer层上设置沿厚度方向的通孔，Spacer层通过通孔套设在介电层的凸起阵列的外周，Spacer层一侧与介电层的凸起阵列边缘的表面相贴合，Spacer层另一侧与第一极板相贴合，介电层的凸起阵列的顶部与第一极板之间留有间隔，能够使得传感器具有初始预紧力，能够扩宽对锂离子电池工作状态的检测范围;对比实施例和对比例2，凸起的底面积大于凸起的顶面积，能够提高传感灵敏度，线性度，缩短响应时间。
[0069]对比实施例1和实施例2，柔性电容传感器未受到压力时，Spacer层的与第一极板相贴合的一侧与凸起阵列的顶部之间的距离为120μm~300μm，更利于使得柔性电容传感器初始具有250kPa~700kpa的预紧力，封装固定电池时，柔性电容传感器受到的压力不占用凸起阵列压力传感的量程，扩宽对锂离子电池工作状态的检测范围;对比实施例1和实施例3，聚合物P(VDF-HFP)，更利于提高检测灵敏度;对比实施例1、4和5，正四棱台形凸起的底面边长为130μm~170μm，顶面边长为20μm~40μm，高度为80~120μm，正四棱台形凸起的底面边长、顶面边长、高度的比为1:0.15~0.25:0.55~0.75，更利于提高检测灵敏度。
[0070]以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
说明书附图(8)
声明：
“用于锂电池压力检测的柔性电容传感器及其制备方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：悟通感控（北京）科技有限公司, 悟通感控（上海）机器人有限公司
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