CN112018404B - 一种火灾响应的温控电池及其制备方法与应用 - Google Patents

一种火灾响应的温控电池及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种火灾响应的温控电池及其制备方法与应用，属于火灾监控技术领域。本发明的温控电池包括电极和电解质，在所述电极和所述电解质之间设置相变保护层，以隔绝所述电解质与所述电极的接触。本发明的温控电池在自然环境下没有电能输出，而高温环境下，相变材料发生变化进而使得电池工作，输出电能，从而可以实现温度对电池功率输出的控制。该温控电池成本低廉，适合自然环境下的大面积布控，能够有效提升火灾监测节点的安置密度。

Description

一种火灾响应的温控电池及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及火灾监控技术领域，具体涉及的是一种火灾响应的温控电池及其制备方法与应用。
背景技术
森林火灾具有突发性强、破坏性大以及处置救助困难等属性，严重威胁着土壤、植被、水体乃至人类自身的生命财产安全。针对森林防火，各国开发了不同的林火监测系统，德国采取FIRE-WATCH森林火灾自动预警系统，美国将红外遥感与预警飞机相结合进行火灾预警，加拿大采用卫星巡回监测系统。中国主要依靠卫星遥感、飞机巡航以及地面瞭望台巡护的方式进行森林火灾的监控。尽管上述方式在探测范围以及搜集数据方面具有一定的优势，但是探测的准确率尚有待提高，就早期火灾的预警而言依旧显得力不从心。
近年来，基于无线传感网络技术的火灾预警系统相继得到开发，此类系统在监测人迹罕至的特殊区域具有其他传统技术无可比拟的优势，监控范围和准确率较高，逐渐引起国内外相关领域的重视。由于森林火灾监测的特殊性，无线传感网络需要进行大量的节点布控，每个节点需配备有独立的电源供给模块，然而，现有的电池体系往往存在自放电现象，使用寿命有限，而频繁更换监控节点的电池需要耗费大量的人力物力。因此，供电问题成为无线传感网络的核心问题，开发具有长期使用寿命的电池对无线传感网络技术的实际应用具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种火灾响应的温控电池及其制备方法与应用，本发明利用温度对相变材料的调控，使温控电池在自然环境下没有电能输出，而高温(火灾)环境下，相变材料发生变化，进而激活温控电池，输出电能，从而实现温度对电池功率输出的控制。
本发明首先提供了一种温控电池，包括电极和电解质，在所述电极和所述电解质之间设置相变保护层，以隔绝所述电解质与所述电极的接触。
上述的温控电池，所述相变保护层的材料为相变材料；所述相变材料为聚合物和/或石蜡。
具体的，所述相变材料的熔点或者玻璃化转变温度为25～160℃；更具体的，所述相变材料的熔点或者玻璃化转变温度为25℃、40℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、150℃或160℃；
所述相变保护层的厚度为0.1～3.0mm，更具体可为0.1mm、0.5mm、1.0mm或2.0mm。
所述聚合物为聚乙二醇、聚酰胺蜡、聚乳酸、聚丙烯蜡、费托蜡中的至少一种。
上述的温控电池中，所述相变保护层为电极与电解质之间的保护性结构，具体为下述任一种：1)将相变材料覆盖到电极表面；2)将相变材料覆盖到电解质表面；3)将相变材料加工成单独的材料插入电极与电解质之间。
上述的温控电池，所述电解质为酸性电解质、碱性电解质、金属盐溶液、离子液体和深共熔溶剂中的至少一种；
具体的，所述深共熔溶剂电解质为尿素/二乙胺混合物，其中尿素和二乙胺的摩尔比为1:2。
上述的温控电池，所述电解质也可以为相变电解质；
具体的，所述相变电解质为水合无机盐。
所述相变电解质为五水硫酸铜、水合硫酸铁、水合硫酸亚铁、水合氯化铜、水合氯化铁、水合氯化亚铁、水合硝酸铁、水合硝酸铜、水合磷酸铁、双取代咪唑卤素盐、双取代咪唑醋酸盐、季磷的卤素盐和季铵的卤素盐中的至少一种。
所述相变电解质的相变温度为20～500℃。
上述的温控电池，所述电极为正极和负极；
所述正极的材料为石墨、碳纤维、热解树脂碳、不锈钢、铁、铜、锌、铝和锂中的至少一种；
所述负极的材料为铝、锌、铜、铁、锡、铅和锂中的至少一种。
所述温控电池还包括电解槽；所述电解槽的材料为无机材料和/或聚合物材料。
具体的，所述电解槽的材料可为陶瓷、玻璃、金属、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯和聚脲中的至少一种。
上述的温控电池，所述温控电池的响应温度为25～160℃，具体可为25℃、37℃、60℃、70、80℃或160℃。
将上述的多个温控电池进行串联和/或并联。具体的，所述多个指的是两个或两个以上。
本发明还提供了所述温控电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)将所述电解质装入所述电解槽中；
(2)将所述电解槽和所述电极组装成电池，并在所述电极和所述电解质之间设置相变保护层，以隔绝所述电解质与所述电极的接触。
上述的制备方法中，所述相变保护层的设置为下述任一种：1)将所述相变材料覆盖到所述电极表面；2)将所述相变材料覆盖到所述电解质表面；3)将所述相变材料加工成单独的材料插入所述电极与所述电解质之间。
所述的温控电池在监控火灾中的应用也属于本发明的保护范围。
上述的应用中，所述火灾为森林火灾、工业火灾或家庭火灾。
本发明具有以下优点：
(1)本发明中的温控电池在自然环境下没有电能输出，而高温环境下，相变材料发生变化进而使得电池工作，输出电能，从而可以实现温度对电池功率输出的控制。
(2)本发明得到的温控电池能够消除常规电池存放过程中存在的自放电现象，延长温控电池的使用寿命，避免因器件供电问题所引发的系统失效。
(3)本发明所制备的温控电池，非常便于进行电池组的设计，通过多个温控电池的串联以及并联输出，能够有效地调节电池组的输出功率。
(4)本发明所用相变电解质室温下呈现固态，便于存储以及运输，能够有效地消除转运过程中存在的安全风险，从而降低转运成本。
(5)本发明中所用相变电解质具有良好的稳定性，不必担心自然环境下由于电解液的损失所带来的性能改变，而且不存在电解液泄露的风险。
(6)本发明中得到的温控电池能够对火灾早期阶段的温度提升进行有效地感知，从而能够用于火灾响应的早期监控。
(7)现有的电池体系以向系统供电为主，并不具备其他功能，本发明中制备的火灾响应的温控电池兼具能源器件与传感器件的双重特性。
(8)本发明中得到的温控电池成本低廉，适合自然环境下的大面积布控，能够有效提升火灾监测节点的安置密度。
(9)本发明所用相变电解质的优势在于原材料廉价易得，整个制备环节不涉及高昂的仪器设备，加工工艺简单可靠，不存在环境污染的担忧，能够充分满足工业生产的规模化以及绿色化需求。
附图说明
图1为火灾响应的温控电池的结构示意图；图中各个标记如下：1正极；2，5相变保护层；3相变电解质；4电解槽；6负极。
图2为温控电池的串联结构示意图。
图3为温控电池的并联结构示意图。
图4为温控电池的串并联组合结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下述实施例中的60#石蜡、70#石蜡和80#石蜡购自快乐美欣家居，25#石蜡购自润州泽众专用蜡厂；聚丙烯蜡购自南京天诗新材料科技有限公司。
25#石蜡、60#石蜡、70#石蜡、80#石蜡和聚丙烯蜡的熔点分别为25℃、60℃、70℃、80℃和160℃。
1-丁基-3-甲基-咪唑氯盐购自青岛奥立科新材料科技有限公司。
图1为火灾响应的温控电池的结构示意图。所述火灾响应的温控电池包括正极1、负极6、相变电解质3、电解槽4和相变保护层2，5，所述相变保护层位于相变电解质3和正极1之间、相变电解质3和负极6之间，用于隔绝相变电解质3和电极。相变电解质3装入电解槽4中。
实施例1
(1)本实施例中火灾响应的温控电池所用原料由如下组成：
正极材料：石墨电极
电解质材料：五水氯化铜
电解质槽材料：聚甲基丙烯酸甲酯
相变保护层：60#石蜡
负极材料：铁电极
(2)制备步骤具体如下：
1)将五水氯化铜装入电解槽中。
2)将60#石蜡涂覆到铁电极的表面制备0.1mm厚的相变保护层，隔绝电解质材料与电极材料的接触。
3)铁电极和石墨电极分别贴附到电解槽的两侧组成电池结构，进行封装。
实施例2
(1)本实施例与实施例1的区别为所用电解质材料不同，本实施例中火灾响应的温控电池所用原料由如下组成：
正极材料：石墨电极
电解质材料：五水硫酸铜
电解质槽材料：聚甲基丙烯酸甲酯
相变保护层：60#石蜡
负极材料：铁电极
(2)制备方法与实施例1相同。
实施例3
(1)本实施例与实施例1的区别为所用电解质材料不同，本实施例中火灾响应的温控电池所用原料由如下组成：
正极材料：石墨电极
电解质材料：六水三氯化铁
电解质槽材料：聚甲基丙烯酸甲酯
相变保护层：60#石蜡
负极材料：铁电极
(2)制备方法与实施例1相同。
实施例4
(1)本实施例与实施例1的区别为所用电解质材料不同，本实施例中火灾响应的温控电池所用原料由如下组成：
正极材料：石墨电极
电解质材料：1-丁基-3-甲基-咪唑氯盐
电解质槽材料：聚甲基丙烯酸甲酯
相变保护层：60#石蜡
负极材料：铁电极
(2)制备方法与实施例1相同。
实施例5
(1)本实施例与实施例1的区别为所用电解质材料不同，本实施例中火灾响应的温控电池所用原料由如下组成：
正极材料：石墨电极
电解质材料：尿素/二乙胺混合物(尿素与二乙胺的混合比例为1:2(摩尔比))
电解质槽材料：聚甲基丙烯酸甲酯
相变保护层：60#石蜡
负极材料：铁电极
(2)制备方法与实施例1相同。
将上述实施例1-5中所提及的材料经过上述工艺加工得到温控电池，都能够实现电池功率的温控输出。更换电解质材料，能够有效地调节温控电池输出功率的最低启动温度。其中，实施例1电池输出功率的最低启动温度为100℃，实施例2电池输出功率的最低启动温度为110℃，实施例3电池输出功率的最低启动温度为60℃，实施例4电池输出功率的最低启动温度为60℃，实施例5电池输出功率的最低启动温度为60℃。
实施例6
(1)本实施例与实施例3的区别为所用电极材料不同，本实施例中火灾响应的温控电池所用原料由如下组成：
正极材料：不锈钢电极
电解质材料：六水三氯化铁
电解质槽材料：聚甲基丙烯酸甲酯
相变保护层：60#石蜡
负极材料：锌电极
(2)制备方法与实施例1相同；其中不锈钢电极和锌电极都涂覆60#石蜡，厚度均为0.1mm厚。
实施例7
(1)本实施例与实施例6的区别为所用电极材料不同，本实施例中火灾响应的温控电池所用原料由如下组成：
正极材料：不锈钢电极
电解质材料：六水三氯化铁
电解质槽材料：聚甲基丙烯酸甲酯
相变保护层：60#石蜡
负极材料：铜电极
(2)制备方法与实施例6相同。
实施例8
(1)本实施例与实施例6的区别为所用电极材料不同，本实施例中火灾响应的温控电池所用原料由如下组成：
正极材料：铜电极
电解质材料：六水三氯化铁
电解质槽材料：聚甲基丙烯酸甲酯
相变保护层：60#石蜡
负极材料：锌电极
(2)制备方法与实施例6相同。
实施例6-8的温控电池都能够实现电池功率的温控输出。更换电极材料，实施例6～8都能够在室温环境下维持零功率输出，而在60℃条件下实现全功率输出。
实施例9
(1)本实施例与实施例8的区别为所用相变保护层不同，本实施例中火灾响应的温控电池所用原料由如下组成：
正极材料：铜电极
电解质材料：六水三氯化铁
电解质槽材料：聚甲基丙烯酸甲酯
相变保护层：25#石蜡
负极材料：锌电极
(2)制备方法与实施例8相同。
实施例10
(1)本实施例与实施例8的区别为所用相变保护层不同，本实施例中火灾响应的温控电池所用原料由如下组成：
正极材料：铜电极
电解质材料：六水三氯化铁
电解质槽材料：聚甲基丙烯酸甲酯
相变保护层：70#石蜡
负极材料：锌电极
(2)制备方法与实施例8相同。
实施例11
(1)本实施例与实施例8的区别为所用相变保护层不同，本实施例中火灾响应的温控电池所用原料由如下组成：
正极材料：铜电极
电解质材料：六水三氯化铁
电解质槽材料：聚甲基丙烯酸甲酯
相变保护层：80#石蜡
负极材料：锌电极
(2)制备方法与实施例8相同。
实施例12
(1)本实施例与实施例8的区别为所用相变保护层不同，本实施例中火灾响应的温控电池所用原料由如下组成：
正极材料：铜电极
电解质材料：六水三氯化铁
电解质槽材料：聚甲基丙烯酸甲酯
相变保护层：聚丙烯蜡
负极材料：锌电极
(2)制备方法与实施例8相同。
实施例9～12的温控电池都能够实现电池功率的温控输出。更换相变保护层材料，能够有效地调节温控电池的最低启动温度，其中，实施例9电池输出功率的最低启动温度为37℃，实施例10电池输出功率的最低启动温度为70℃，实施例11电池输出功率的最低启动温度为80℃，实施例12电池输出功率的最低启动温度为160℃。
实施例13
本实施例将5个实施例8中的电池进行串联连接(结构示意图见图2)，从而可以实现电压以及功率的成倍输出。
实施例14
本实施例将5个实施例8中的电池进行并联连接(结构示意图见图3)，从而可以实现电流以及功率的成倍输出。
实施例15
本实施例将10个实施例8中的电池进行串并联组合连接(结构示意图见图4)，从而可以实现电压、电流以及功率的成倍输出。
由实施例13～15可知，将实施例8中所制备的温控电池进行串联或者并联组合，都能够增大温控电池的输出功率。其中，升温至60℃时开始进行温控电池的功率测试，实施例8的输出功率为13mW，而实施例13的输出功率达到62mW，实施例14的输出功率达到64mW，实施例15的输出功率达到121mW。
实施例16
(1)本实施例与实施例8的区别为相变保护层的厚度不同，本实施例中火灾响应的温控电池所用原料由如下组成：
正极材料：铜电极
电解质材料：六水三氯化铁
电解质槽材料：聚甲基丙烯酸甲酯
相变保护层：60#石蜡
负极材料：锌电极
(2)制备方法与实施例8相同，其中，相变保护层的厚度为0.5mm。
实施例17
(1)本实施例与实施例8的区别为相变保护层的厚度不同，本实施例中火灾响应的温控电池所用原料由如下组成：
正极材料：铜电极
电解质材料：六水三氯化铁
电解质槽材料：聚甲基丙烯酸甲酯
相变保护层：60#石蜡
负极材料：锌电极
(2)制备方法与实施例8相同，其中，相变保护层的厚度为1.0mm。
实施例18
(1)本实施例与实施例8的区别为相变保护层的厚度不同，本实施例中火灾响应的温控电池所用原料由如下组成：
正极材料：铜电极
电解质材料：六水三氯化铁
电解质槽材料：聚甲基丙烯酸甲酯
相变保护层：60#石蜡
负极材料：锌电极
(2)制备方法与实施例8相同，其中，相变保护层的厚度为2.0mm。
由实施例16～18可知，改变实施例8中所制备的相变保护层的厚度，能够调节温控电池开始进行功率输出的启动时间。其中，升温至60℃时开始进行温控电池的功率测试，实施例8中所制备的温控电池开始输出功率的启动时间为升温后的122s，而实施例16中所制备的温控电池开始输出功率的启动时间为升温后的275s，实施例17中所制备的温控电池开始输出功率的启动时间为升温后的561s，实施例18中所制备的温控电池开始输出功率的初始时间为升温后的807s。

Claims (10)

1.一种温控电池，包括电极和电解质，其特征在于：在所述电极和所述电解质之间设置相变保护层，以隔绝所述电解质与所述电极的接触；
所述相变保护层的材料为石蜡；
所述电解质为相变电解质；所述相变电解质为五水硫酸铜、水合硫酸铁、水合硫酸亚铁、水合氯化铜、水合氯化铁、水合氯化亚铁、水合硝酸铁、水合硝酸铜、水合磷酸铁、双取代咪唑卤素盐、双取代咪唑醋酸盐、季磷的卤素盐和季铵的卤素盐中的至少一种；
所述相变保护层的设置为将相变材料覆盖到所述电极表面。
2.根据权利要求1所述的温控电池，其特征在于：所述石蜡的熔点为25~160℃；所述相变保护层的厚度为0.1~3.0 mm。
3.根据权利要求1或2所述的温控电池，其特征在于：所述相变电解质的相变温度为20~500℃。
4.根据权利要求1或2所述的温控电池，其特征在于：所述电极为正极和负极；
所述正极的材料为石墨、碳纤维、热解树脂碳、不锈钢、铁、铜、锌、铝和锂中的至少一种；
所述负极的材料为铝、锌、铜、铁、锡、铅和锂中的至少一种；
所述温控电池还包括电解槽；所述电解槽的材料为无机材料和/或聚合物材料。
5.根据权利要求4所述的温控电池，其特征在于：所述电解槽的材料为陶瓷、玻璃、金属、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯和聚脲中的至少一种。
6.根据权利要求1或2所述的温控电池，其特征在于：所述温控电池的响应温度为25~160℃。
7.根据权利要求1或2所述的温控电池，其特征在于：将多个权利要求1或2所述的温控电池进行串联和/或并联。
8.权利要求1-7中任一项所述的温控电池的制备方法，包括如下步骤：
（1）将电解质装入电解槽中；
（2）将所述电解槽和电极组装成电池，并在所述电极和所述电解质之间设置相变保护层，以隔绝所述电解质与所述电极的接触；
所述相变保护层的设置为将相变材料覆盖到所述电极表面。
9.权利要求1-7中任一项所述的温控电池在监控火灾中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述火灾为森林火灾、工业火灾或家庭火灾。
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