CN113471460B - 一种绿色环保的淀粉基压敏电池的制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电池制造领域，公开了一种淀粉基压敏电池的制备及应用方法。该方法包括以下步骤：将一定量的盐与水混合形成盐溶液，然后将高直链淀粉均匀分散在其中，加热糊化。之后加入金属粉末和甘油，待其冷却后，与金属片贴合，即可得到淀粉基压敏电池。本发明制备的淀粉基压敏电池相较于其他电池，具有生产工艺绿色环保，无三废产生，不会对环境产生污染等优势；且工艺流程简单，能够适用于工业化生产，无需额外的新设备，工艺迅速，制作速度快；且电池具有压力敏感性，可随环境压力的变化而产生线性响应。
Description
技术领域
本发明属于电池制造领域，特别涉及一种淀粉基压敏电池的制备和应用。
背景技术
废弃电池污染一直是全球重大的环境问题之一，其含有的铅，汞，镉等重金属通常会对水体和土壤产生污染。有研究表明，一颗普通的电池被扔进大自然之后，可以污染60万升水，这相当于一个人一生的用水量。而干电池作为使用最广泛的民用电池，其使用具有任意性、分散性、回收困难等缺陷。而随着移动设备的快速增长，我国干电池产量已经达到了1200亿个/年。因此，如何制造绿色环保的电池成为了亟待解决的问题。
干电池是基于原电池原理的一种一次性电池，由于其电解质是一种不能流动的糊，所以被称为干电池。目前市场上常见的干电池主要是：锌锰干电池，镁锰干电池、锌空气电池、锌氧化汞电池等，以应用最为广泛的锌锰电池为例，其最外层由锌筒包裹，其里面装有电极和糊状电解液。在生产过程中原料相对较贵，且使用完毕后难以回收，会对环境产生污染。由于干电池使用的广泛性及其不可替代性，要减轻废弃干电池的污染，就必须从原料抓起。因此，制造出一种绿色环保的电池，其发展前景十分可观。
压敏元件是一种通过感受外界压力信息而输出不同信号的一类材料。目前，市面上应用较多的主要是压敏电阻器以及压敏电容器，在测量压力，位移，加速度，气压等方面均有应用。而压敏电池除了上述应用外，还可以根据其不同压力所输出的电压不同，来对外界设备进行分段式电压供电，可以进一步开发移动设备的功能性以及使用范围，潜力巨大。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种淀粉基压敏电池的制备方法，使该电池既能稳定供电，同时又具有一定的压敏特性，能根据环境压力的变化，产生电流信号的变化。
本发明另一目的在于提供上述方法制备的淀粉基压敏电池。
本发明另一目的在于提供上述淀粉基压敏电池的应用。
本发明的目的通过下述方案实现：
一种淀粉基压敏电池的制备方法，包括以下步骤：
（1）将高直链淀粉与氯化钙溶液混合并搅拌均匀，得到淀粉乳浊液；
（2）将（1）中淀粉乳浊液加热糊化，使高直链淀粉糊化，得到糊化液；
（3）向（2）的糊化液中继续加入甘油和金属粉末，保温搅拌，待混合均匀后倒入模具冷却；
（4）将（3）中所得到的材料取出，恢复至室温后与金属片贴合后即得到淀粉基压敏电池。
步骤（1）中所述的高直链淀粉是指淀粉颗粒中直链淀粉含量为50%以上的淀粉；
步骤（1）中所选的氯化钙溶液中氯化钙固体（CAS:22691-02-7）与水的质量比为1:1~1:5，优选为1:2；
步骤（1）中所述高直链淀粉与所述氯化钙溶液的质量比为1:2~1:12优选为1:6；
步骤（2）中所述的加热糊化是指在搅拌条件下加热至30-100℃糊化10-100min，优选为加热至70℃糊化60min；
步骤（3）中所述的甘油的用量满足糊化液与甘油的体积比为1:0~1:1 优选为1:0.2-1，更优选为1:0.2；
步骤（3）中所述金属粉末包括镁粉，铝粉，锌粉，铁粉，锡粉，铅粉，铜粉，银粉，铂粉，金粉中的至少一种；优选为锌粉；
步骤（3）中所述金属粉末的用量满足：金属粉末与糊化液的质量比为1:2~1:12，优选为1:7 ；
步骤（3）中所述保温搅拌的时间为20-100min；
步骤（3）中所述的冷却是指在0-20℃冷却12-60h，冷却温度优选为4℃，冷却时间优选为24h。
步骤（4）中所述的金属片为镁片，铝片，锌片，铁片，锡片，铅片，铜片，银片，铂片，金片中的一种；优选为铜片；
一种淀粉基压敏电池，可以通过上述方法制备得到。
所述的淀粉基压敏电池能应用于可穿戴设备、压力监控设备、压力触发设备等领域。
本发明的机理为：
一定浓度的氯化钙溶液可以解构高直链淀粉颗粒，使其中的直链淀粉游离在溶液中，冷却固化后，淀粉分子链相互缠绕形成凝胶状电解质网络。向此凝胶电解质中加入甘油，可以促进淀粉分子链之间的相互移动，从而提升凝胶体系的柔韧性，使其能够承受更大的形变。向此凝胶电解质中加入金属粉末后，粉末会分散在凝胶网络中。整个体系依靠金属粉末对氢离子的置换反应构成原电池，即金属粉末作为电池的负极，失去电子形成金属离子，电子经外电路进入到金属片集流体中，与溶解在凝胶中的H+反应，生成氢气。反应式如下：
负极：M - 2e- =M2+ （M代表金属粉末）
正极：2H+ + 2e- = H2
由于凝胶体系具有柔韧性，可压缩，压缩后凝胶内部的电阻减小，因此虽然化学反应的电压不变，但输出的电流可随压力导致的凝胶形变而变化，从而表现出电流对外界压力的刺激响应。
本发明相对于现有技术具有如下的优点
（1）本产品的生产工艺绿色环保，无三废产生，不会对环境产生污染；且工艺流程简单，能够适用于工业化生产，无需额外的新设备，工艺迅速，制作速度快。
（2）本产品具有压力敏感性，输出电流可随环境压力的变化而产生线性响应。
附图说明
图1为实施例1所得电池产品的电压测试图。
图2为实施例1、2、3所得电池产品，在不同压缩形变量下，循环100次的输出电流图。
图3为实施例2所得电池产品的在30%的压缩形变量下，循环1000次的输出电流图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例中所用试剂如无特殊说明均可从市场常规购得。
实施例1
（1）称取氯化钙固体50g加入到100mL水中，搅拌溶解至澄清溶液，并冷却至室温；
（2）称取25g高直链淀粉，加入（1）中的溶液，搅拌形成淀粉乳浊液；
（3）将（2）中的乳浊液在70℃下加热并搅拌1h；
（4）向（3）中的混合液中加入20mL甘油和25g锌粉；
（5）将（4）的混合液继续在70℃的下加热并搅拌1h；
（6）将（5）中所得到的混合液倒入圆柱形模具中；
（7）将（6）中的模具在4℃的条件下静置24h后取出，再在室温下静置2h后备用；
（8）将（7）中所得到的材料与铜片贴合，即可得到电池产品。
上述产品电压测试结果为0.59±0.01 V，如图1所示。
上述步骤得到的电池，在进行压缩-回弹-压缩循环时，可以看到输出电流会随之产生规律的起伏变化（见图2所示）。
实施例2
（1）称取氯化钙固体100g加入到100mL水中，搅拌溶解至澄清溶液，并冷却至室温；
（2）称取25g高直链淀粉，加入（1）中的溶液，搅拌形成淀粉混合液；
（3）将（2）中的混合液在70℃下加热并搅拌1h；
（4）在（3）中的混合液中加入100mL甘油和50g锌粉；
（5）将（4）的混合液继续在70℃下加热并搅拌11h；
（6）将（5）中所得到的混合液倒入圆柱形模具；
（7）将（6）中的模具在4℃的条件下静置24h后取出，再在室温下静置2h后备用；
（8）将（7）中所得到的材料与铜片贴合，即可得到电池产品。
上述产品电压测试结果为0.59v±0.01 V。
上述步骤制得的电池，在进行压缩-回弹-压缩循环时，可以看到输出电流会随之产生规律的起伏变化，且随压缩形变量的增大，电流信号显著增强（见图2所示）。且维持30%的压缩形变量，将压缩-回弹-压缩循环延长至1000次，可以看到电池的输出电流依然稳定的产生起伏变化（见图3所示）。
实施例3
（1）称取氯化钙固体50g加入到100mL水中，搅拌溶解至澄清溶液，并冷却至室温；
（2）称取25g高直链淀粉，加入（1）中的溶液，搅拌形成淀粉乳浊液；
（3）将（2）中的乳浊液在70℃下加热并搅拌1h；
（4）向（3）中的混合液中加入20mL甘油和25g铁粉；
（5）将（4）的混合液继续在70℃的下加热并搅拌1h；
（6）将（5）中所得到的混合液倒入圆柱形模具中；
（7）将（6）中的模具在4℃的条件下静置24h后取出，再在室温下静置2h后备用；
（8）将（7）中所得到的材料与铜片贴合，即可得到电池产品。
上述产品电压测试结果为0.42±0.01 V。
上述步骤得到的电池，在进行压缩-回弹-压缩循环时，可以看到输出电流会随之产生规律的起伏变化（见图2所示）。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种淀粉基压敏电池的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）将高直链淀粉与氯化钙溶液混合并搅拌均匀，得到淀粉乳浊液；其中，高直链淀粉为直链含量50%以上的高直链淀粉；氯化钙溶液中，氯化钙与水的质量比为1:1~1:5；高直链淀粉与所述氯化钙溶液的质量比为1:2~1:12；
（2）将步骤（1）中淀粉乳浊液加热糊化，使高直链淀粉糊化，得到糊化液；
（3）向步骤（2）的糊化液中继续加入甘油和金属粉末，保温搅拌，待混合均匀后倒入模具冷却，冷却固化后，淀粉分子链相互缠绕形成凝胶状电解质网络，向此凝胶状电解质网络中加入金属粉末后，粉末会分散在凝胶网络中；其中金属粉末包括镁粉，铝粉，锌粉，铁粉，锡粉，铅粉，铜粉，银粉，铂粉，金粉中的至少一种；
（4）将步骤（3）中所得到的材料取出，恢复至室温后与金属片贴合后即得到淀粉基压敏电池，其中金属粉末作为电池的负极，金属片作为集流体，整个体系依靠金属粉末对氢离子的置换反应构成原电池。
2.根据权利要求1所述的淀粉基压敏电池的制备方法，其特征在于：步骤（1）的氯化钙溶液中，氯化钙与水的质量比为1:2。
3.根据权利要求2所述的淀粉基压敏电池的制备方法，其特征在于：
步骤（1）中所述高直链淀粉与所述氯化钙溶液的质量比为1:6。
4.根据权利要求1所述的淀粉基压敏电池的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述的加热糊化是指在搅拌条件下加热至30-100℃糊化10-100min。
5.根据权利要求4所述的淀粉基压敏电池的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述的加热糊化是指在搅拌条件下加热至70℃糊化60min。
6.根据权利要求1所述的淀粉基压敏电池的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述的甘油的用量满足糊化液与甘油的体积比为1:0~1:1 。
7.根据权利要求6所述的淀粉基压敏电池的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述的甘油的用量满足糊化液与甘油的体积比为1:0.2。
8.根据权利要求1所述的淀粉基压敏电池的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述的金属粉末的用量满足：金属粉末与糊化液的质量比为1:2~1:12。
9.根据权利要求8所述的淀粉基压敏电池的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述的金属粉末的用量满足：金属粉末与糊化液的质量比为1:7。
10.根据权利要求1所述的淀粉基压敏电池的制备方法，其特征在于：
步骤（3）中所述的冷却是指在0-20℃冷却12-60h。
11.根据权利要求10所述的淀粉基压敏电池的制备方法，其特征在于：
步骤（3）中冷却温度为4℃，冷却时间为24h。
12.根据权利要求1所述的淀粉基压敏电池的制备方法，其特征在于：
步骤（4）中所述的金属片为镁片，铝片，锌片，铁片，锡片，铅片，铜片，银片，铂片，金片中的一种。
13.根据权利要求12所述的淀粉基压敏电池的制备方法，其特征在于：
步骤（4）中所述的金属片为铜片。
14.一种根据权利要求1~13任一项所述的方法制备得到的淀粉基压敏电池。
15.根据权利要求14所述的淀粉基压敏电池在可穿戴设备、压力监控设备、压力触发设备领域中的应用。
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