Мониторинг температуры на месте внутри литий-ионных батарей с помощью гибких микротемпературных датчиков

1. Аннотация
2. 1. Введение
3. 2. Методология
4. 2.2. Изготовление микро датчика температуры
5. 3. Результаты и обсуждение
6. 3.2. Тепловой ударный тест
7. 3.2. Измерение температуры в 1С зарядки и разрядки
8. 4. Выводы
9. Подтверждения
10. Рекомендации

Датчики (Базель). 2011; 11 (10): 9942–9950.

* Автор, к которому следует обращаться по переписке; Эл. адрес: wt.ude.uzy.nrutas@eelyc ; Тел .: + 886-3-4638-800 доб 2478; Факс: + 886-3-455-8013.

Получено 2011 г. 29 августа; Редакция 2011 г., октябрь 18; Принят 2011 окт 18.

Эта статья была цитируется другие статьи в PMC.

Аннотация

Литий-ионные аккумуляторы обычно используются в электромобилях, смартфонах, персональных цифровых ассистентах (PDA), ноутбуках и электромобилях. Эти литий-ионные аккумуляторные батареи должны быстро заряжаться и разряжаться, что приводит к быстрому повышению внутренней температуры, что поднимает проблему безопасности. Избыточная зарядка приводит к нестабильному напряжению и току, вызывая потенциальные проблемы безопасности, такие как тепловые разряды и взрывы. Таким образом, должен быть разработан микрогибкий датчик температуры для мониторинга температуры на месте внутри литий-ионной вторичной батареи. В этой работе гибкие микротемпературные датчики были интегрированы в литий-ионную вторичную батарею с использованием процесса микроэлектромеханических систем (MEMS) для контроля температуры на месте .

Ключевые слова: MEMS, микротемпературный датчик, литий-ионная аккумуляторная батарея, мониторинг на месте

1. Введение

В последние годы литий-ионные аккумуляторы широко используются в коммерческих продуктах, таких как смартфоны, персональные цифровые помощники (PDA), ноутбуки и электромобили. Учитывая это широкое использование, безопасность и эффективность литий-ионных вторичных батарей являются важными вопросами.

Безопасность литий-ионной вторичной батареи зависит от электролита, сепаратора, анода и катода [ 1 ]. В условиях избыточного заряда литий образует активную поверхность и реагирует с электролитом, увеличивая внутренний импеданс и снижая эффективность разряда. С увеличением циклов зарядки-разрядки емкость батареи будет уменьшаться, ограничивая срок ее службы.

Металлический литий может выделяться в виде дендритных и игольчатых кристаллов и вызывать множество проблем при быстрой зарядке и разрядке [ 2 ]. Соответственно, эффективность батареи уменьшается, и возникает проблема безопасности [ 3 , 4 ]. Внутренняя температура литий-ионной вторичной батареи обычно измеряется с помощью термопары. Традиционные термопары слишком велики, чтобы их можно было использовать для точного определения температуры в оптимальном месте измерения [ 5 ]. Следует избегать повреждения аккумулятора во время измерения температуры. Электрическая техника с четырьмя зондами, которая является быстрой (<200 мс) и точной (± 0,1 ° C) и работает путем подключения к двум клеммам ячейки [ 6 ], устраняет необходимость вставки любого зонда в ячейку. Датчики удаленного запроса используются для измерения температуры, давления, скорости потока жидкости и влажности [ 7 - 9 ]. В этом исследовании используются микротемпературные датчики температуры сопротивления (RTD) с небольшим объемом, высокой точностью, коротким временем отклика, простотой изготовления, массовым производством и способностью измерять температуру более эффективно, чем традиционные термопары. Эти микротемпературные датчики должны быть устойчивы к эрозии, высокой температуре и коррозии под напряжением.

2. Методология

2.1. Конструкция микродатчика температуры

Датчики температуры делятся на четыре основных класса: золотые термометры сопротивления, термочувствительные резисторы (термисторы), термопары и ртутные термометры. Микротемпературный датчик, который изготовлен здесь, является золотым RTD и проиллюстрирован на.

Принципиальная схема микротемпературного датчика.

Сопротивление обычного металла определяется как:

где R обозначает сопротивление (Ом); ρ представляет удельное сопротивление (Ом · м); L обозначает длину провода (м), а A обозначает площадь поперечного сечения (м2). Когда температура RTD изменяется в линейной области, зависимость между измеренным сопротивлением и изменением температуры может быть выражена как:

где Rt и Ri представляют сопротивление RTD при t ° C и t ° C соответственно; αt представляет собой положительный температурный коэффициент RTD; ΔT обозначает отклонение температуры от контрольной температуры; и t и ti представляют собой температуру RTD при t ° C и t ° C, соответственно. таким образом, может быть переписан как

где αt - температурный коэффициент сопротивления (TCR) датчика.

2.2. Изготовление микро датчика температуры

В этом исследовании парилен в виде тонкой пленки был принят в качестве гибкого микротемпературного датчика. Парилен устойчив к эрозии и коррозии под напряжением. Материал датчика наносился послойно методом физического осаждения из паровой фазы (PVD); таким образом, микротемпературные датчики могут быть изготовлены при низкой температуре с точно контролируемой толщиной. представляет восемь этапов (a – h), связанных с изготовлением датчика.

Порядок изготовления гибких микротемпературных датчиков на кремниевой подложке.

Стадии А и В: слой меди (Cu) был нанесен в качестве расходуемого слоя на подложку из кремниевой пластины, а затем тонкая пленка из парилена толщиной 300 Å была нанесена на слой меди, как показано. Стадия c: тонкая париленовая пленка выполняла роль защитного слоя, изоляционного слоя и подложки. Шаг d: первый литографический процесс был выполнен с целью определения рисунка на микротемпературных датчиках. Стадия e: Cr (250 Å) и затем Au (2000 Å) были нанесены на париленовую подложку в качестве проводящего слоя с использованием испарителя с электронным пучком. Структура микротемпературных датчиков формировалась в процессе старта. Этап f: затем наносится другой слой парилена для защиты микротемпературных датчиков. Шаги g и h: второй литографический процесс, реактивное ионное травление (RIE), определял рисунок на контактных площадках и в чувствительной области. показывает оптическое микроскопическое (ОМ) изображение микротемпературного датчика.

Оптическая микроскопическая фотография гибкого микротемпературного датчика.

3. Результаты и обсуждение

3.1. Калибровка микротемпературных датчиков

Микротемпературный датчик был помещен в тепловую камеру (DENG YNG DS-45), как представлено в.

Калибровка микродатчиков температуры в термокамере.

Сигнал сопротивления был получен системой сбора данных, как показано на рис. Температура термокамеры была увеличена с -20 ° С до 90 ° С в три раза.

Сигнал сопротивления принимается сбором данных.

и построить калибровочные кривые микродатчика температуры. Калибровочная кривая демонстрирует высокую повторяемость и линейность взаимосвязи между температурой и сопротивлением.

Калибровочные кривые датчика 1.

Калибровочные кривые датчика 2.

3.2. Тепловой ударный тест

Был проведен эксперимент для проверки прочности конструкции микротемпературного датчика с использованием программируемого термомеханического тестера, в котором датчик, помещенный в тестер, измерял и регистрировал температуру. Температуру трижды циклически изменяли между 0 ° С и 90 ° С, изменяя температуру в течение 3 минут с временем пребывания 5 минут при каждой экстремальной температуре. В, T1 - это температурная кривая пространства в Программируемом тестере теплового удара, T2 - это температурная кривая микродатчика 1, помещенного в держатель. Построена калибровочная кривая микродатчика 1.

Изменение температуры пространства в программируемом тестере теплового удара и держателе микротемпературного датчика 1.

Сравнение калибровочных кривых микротемпературного датчика 1 до и после испытаний на термический удар в течение трех циклов.

3.2. Измерение температуры в 1С зарядки и разрядки

Микротемпературные датчики вставлены в литий-ионную вторичную батарею, как показано на и. Термопара, прикрепленная к внешней поверхности батареи, измеряла температуру поверхности. Сигналы от микродатчиков и термопары были получены системой сбора данных GBT-2211.

Микро температурный датчик вставлен в литий-ионную вторичную батарею.

Положение микродатчиков в литий-ионной вторичной батарее.

показывает тестер батареи, используемый для зарядки и разрядки литий-ионной батареи. строит кривую температуры термопары и микротермодатчиков. Все три кривые взаимно согласованы. Температуры различаются в разных положениях литий-ионной аккумуляторной батареи. Внутренняя температура изменяется быстрее, чем внешняя температура. На пике внутренняя температура на 2 ° C выше, чем внешняя.

GBT-2211 используется для зарядки и разрядки литий-ионной аккумуляторной батареи.

Кривая температуры во время 1С зарядки и разрядки.

4. Выводы

В этом исследовании парилен выбран в качестве гибкого материала для изготовления микротемпературных датчиков. Сила микротемпературного датчика достаточна для литий-ионной вторичной батареи. Измерения температуры на месте подобраны успешно. Результаты показывают, что когда в батарее происходят реакции зарядки и разрядки литиевой батареи 1С, внутренняя температура на 2 ° С выше, чем наружная.

Подтверждения

Эта работа была выполнена при столь необходимой поддержке, и авторы хотели бы поблагодарить Национальный научный совет Тайваня за счет гранта NSC 99-2632-E-155-001-MY3. Авторы также хотели бы поблагодарить EXA Energy Technology Company и Ming-Yu Chung и Kuo-Chang Han из университета Yuan Ze за ценные советы и помощь в эксперименте. Кроме того, мы хотели бы поблагодарить YZU NENS Common Lab, TKU MEMS Lab за предоставление доступа к их исследовательским объектам.

Рекомендации

1. Scrosati B, Garche J. Литиевые батареи: состояние, перспективы и будущее. J. Power Sour. 2010; 195: 2419–2430. [ Google ученый ] 2. Чен З., Цинь Ю., Амин К. Редокс-шаттлы для более безопасных литий-ионных аккумуляторов. Electro. Acta. 2009; 54: 5605–5613. [ Google ученый ] 3. Дельмас С, Трир М.М., Крогеннек Л., Левассер С., Перес Дж. П., Пуйери С, Прадо Г., Фурнез Л., Вейль Ф. Литиевые батареи: новый инструмент в химии твердого тела. Int. Дж. Инорг. Mater. 1999; 1: 11-19. [ Google ученый ] 4. Fernicola A, Croce F, Scrosati B, Watanabe T, Ohno H. LiTFSI-BEPyTFSI как улучшенный ионно-жидкий электролит для литиевых аккумуляторных батарей. J. Power Sour. 2007; 174: 342–348. [ Google ученый ] 5. Форжез С., До Д.В., Фридрих Г., Моркретт М., Делакорт С. Тепловое моделирование цилиндрической литий-ионной батареи LiFePO4 / графит. J. Power Sour. 2010; 195: 2961–2968. [ Google ученый ] 6. Rengaswamy S, Bliss GC, Michael HB, Andrew CB. Мгновенное измерение внутренней температуры в литий-ионных перезаряжаемых элементах. Electrochim. Acta. 2011; 56: 6198–6204. [ Google ученый ] 7. Джайн М.К., Шмидт С., Мангл С., Луазель К., Граймс К.А. Измерение температуры и вязкости жидкости с помощью беспроводных магнитоакустических / магнитооптических датчиков. IEEE Trans. 2009; 37: 2767–2769. [ Google ученый ] 8. Джайн М.К., Шмидт С., Онг К.Г., Мангл С, Луазель К., Граймс К.А. Магнитоакустический дистанционный запрос датчиков температуры и влажности. Smart Mater. Struct. 2000; 4: 502-510. [ Google ученый ] 9. Граймс К.А., Кузудис Д. Измерение давления, скорости потока жидкости и влажности с помощью магнитоупругих толстопленочных датчиков. Sens. Actuat. А. 2000; 84: 205–212. [ PubMed ] [ Google ученый ] Статьи от Sensors (Базель, Швейцария) предоставлены здесь благодаря Междисциплинарному Цифровому Издательскому Институту (MDPI)