【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水系锌离子电池以及传感器的制备，具体公开了一种基于水系锌离子电池的一体式自供电压力传感器及其制备方法。
技术介绍
1、随着环境监测、个人健康、通信设备等领域对便携式柔性可穿戴设备需求的不断增加，开发灵活且便携化的能源转化和存储装置具有重要意义。柔性压力传感器可以将压力变化转化为电信号传输，在医疗器械、人造皮肤、机器人等领域受到越来越多的关注。然而，目前大多数的柔性可穿戴压力传感设备需要依靠外部电源供电，这限制了智能电子设备的进一步发展。随着一体化系统概念的提出，设计自供电以及优异传感性能并存的一体式自供电传感器成为研究人员迫切需要解决的问题。一体式自供电传感设备本身既是电池又是压力传感器，不仅简化了集成单元，减少了复杂的电路，同时该器件的制作方法更简单，体积更小，有望利用于便携式可穿戴设备中。
2、由于锂离子电池制造过程繁琐且成本较高，有机电解质存在易燃易爆的问题致使锂离子电池不利于在极端条件下运行，锌离子电池作为一种有前途的电化学储能系统，不仅具有安全性高、制作成本低、绿色环保等优点，还保持了额外的承载性能。考虑这些特点，可以通过机械压力改变电池的内阻来实现从压力信号到电信号的转变。专利申请cn109974907b公开了一种一体化主动供电柔性压力传感器，包括三明治结构的传感单元，以及与传感单元层叠设置、且用于为传感单元供电的动力单元，其中，动力单元为三明治结构的锌-空气电池，包括相对设置的阳极和阴极，以及夹设在阴极和所述阳极之间的凝胶电解质，且阳极为柔性含锌电极，阴极为柔性空气电极；传感单元包括相对设
3、因此，有必要提供一种改进的基于水系锌离子电池的一体式自供电压力传感器及其制备方法，以解决上述问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种基于水系锌离子电池的一体式自供电压力传感器及其制备方法，以解决现有技术压力传感集成器件中体积大、电路复杂、难以柔性化等问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供一种基于水系锌离子电池的一体式自供电压力传感器，包括相对设置的正极和负极，以及夹设在所述正极和负极之间的zn2+-pam水凝胶电解质；
3、所述zn2+-pam水凝胶电解质的制备方法包括：将丙烯酰胺和七水硫酸锌溶解在去离子水中，随后加入过硫酸铵和n，n′-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌10～40分钟；然后将所得混合溶液倒入模具中，在50～70℃下反应4～12小时，得到zn2+-pam水凝胶电解质。
4、本专利技术的一体式自供电压力传感器在不施加压力的情况下，可以当作一个内阻稳定的柔性水凝胶电池。当施加压力时，zn2+-pam水凝胶电解质会发生变形，与两侧电极的接触面积变大，根据电阻定律，内阻变小，进而使得输出电压变大。同时，氧化还原反应发生在两侧电极，使得一体式自供电压力传感器可以自发地持续输出稳定的电信号，而不需要稳定的外接电源。
5、进一步的，所述n，n′-亚甲基双丙烯酰胺的添加量为所述丙烯酰胺质量的0.01～0.1％，优选为0.06％。
6、进一步的，所述七水硫酸锌的添加量为所述丙烯酰胺质量的150～200％，优选为172.5％。
7、进一步的，所述过硫酸铵的添加量为所述丙烯酰胺质量的0.01～1％，优选为0.4％。
8、进一步的，所述zn2+-pam水凝胶电解质的厚度为0.1～0.5cm，优选为0.3cm。zn2+-pam水凝胶电解质的厚度对形变量有一定影响，通过厚度调控，能够对传感器性能进行调控。
9、进一步的，所述正极的制备方法包括：将钨酸钠溶解在去离子水中，并将ph调至1～2，然后与草酸溶液混合，搅拌均匀后，加入硫酸铵和掺杂金属硝酸盐；将所得混合溶液和碳布转移至高压釜中，水热反应12～24小时，然后取出碳布，洗涤、干燥，形成表面水热生长了掺杂金属的m-wo3@cc；m表示掺杂金属；
10、所述掺杂金属硝酸盐包括硝酸钾、硝酸钙、硝酸铜、硝酸钴、硝酸铋和硝酸锰中的一种或多种。通过不同的金属离子掺杂，可以改变正极材料整体的电荷结构，从而改变电子电导率和开路电压的大小，对电池的性能以及传感器的性能都有一定程度的影响。
11、进一步的，所述水热反应的温度为180±20℃，反应时间为12～24h，待自然冷却至室温后，取出碳布，依次用去离子水和无水乙醇洗涤各三次，在80±10℃下干燥过夜，形成表面水热生长了掺杂金属的m-wo3@cc。
12、本专利技术通过简单的一步水热法原位生长掺杂金属的m-wo3@cc正极材料，可以极大减小材料与集流体间的阻抗，有利于电子传输；同时金属离子掺杂可以引起电子结构的变化，增强了电子转移速率。正极材料的改进有助于提高一体式自供电压力传感器的工作稳定性和传感灵敏度。
13、进一步的，所述钨酸钠与所述掺杂金属硝酸盐的摩尔比为(1～10)：1，优选为5:1；
14、所述草酸和所述钨酸钠的摩尔比为(2～4)：1，优选为2.8:1；
15、所述硫酸铵的和所述钨酸钠的摩尔比为(5～7)：1，优选为6:1。
16、进一步的，所述ph采用3±0.5mol/l的hcl调节至1.2。
17、进一步的，所述负极为锌箔，长度为2cm，宽度为1cm；所述正极m-wo3@cc的长度为2cm，宽度为1cm。
18、进一步的，所述模具的材质为聚四氟乙烯，长度为2cm，宽度为1cm，高度为0.5cm。
19、以上任一项所述的基于水系锌离子电池的一体式自供电压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
20、(1)将钨酸钠溶解在去离子水中，搅拌至溶解，并利用3mol/l的hcl将上述溶液的ph调至1～2；
21、(2)将二水合草酸溶解在去离子水中，搅拌至溶解；
22、(3)将步骤(1)和步骤(2)的溶液混合并搅拌均匀后，加入硫酸铵和掺杂金属硝酸盐；
23、所述掺杂金属硝酸盐包括硝酸钾、硝酸钙、硝酸铜、硝酸钴、硝酸铋和硝酸锰中的一种或多种；
24、(4)将步骤(3)所得混合溶液以及碳布转移至高压釜中，在180±20℃下反应12～24小时，待自然冷却至室温后，取出碳布，依次用去离子水和无水乙醇洗涤各三次，在80±10℃下干燥过夜，形成表面水热生长了掺杂金属的m-wo3@cc；洗涤所用去离子水和无水乙醇的体积比优选为1：1；
25、(5)将丙烯酰胺和七水硫酸锌溶解在去离子水中，并搅拌均匀，随后加入过硫酸铵和n，n′-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌10～40分钟；
26、(6)将步骤(5)所得混合溶液倒入模具中，在50～70℃下反应4～12小时，形成zn2+-pam水凝胶电解质；
27、(7)分别将步骤(4)的m-wo3本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于水系锌离子电池的一体式自供电压力传感器，其特征在于，包括相对设置的正极和负极，以及夹设在所述正极和负极之间的Zn2+-PAM水凝胶电解质；
2.根据权利要求1所述的基于水系锌离子电池的一体式自供电压力传感器，其特征在于，所述N，N′-亚甲基双丙烯酰胺的添加量为所述丙烯酰胺质量的0.01~0.1%，优选为0.06%；
3.根据权利要求1所述的基于水系锌离子电池的一体式自供电压力传感器，其特征在于，所述Zn2+-PAM水凝胶电解质的厚度为0.1~0.5 cm，优选为0.3 cm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于水系锌离子电池的一体式自供电压力传感器，其特征在于，所述正极的制备方法包括：将钨酸钠溶解在去离子水中，并将pH调至1~2，然后与草酸溶液混合，搅拌均匀后，加入硫酸铵和掺杂金属硝酸盐；将所得混合溶液和碳布转移至高压釜中，水热反应12~24小时，然后取出碳布，洗涤、干燥，形成表面水热生长了掺杂金属的M-WO3@CC；M表示掺杂金属；
5.根据权利要求4所述的基于水系锌离子电池的一体式自供电压力传感器，其特征在于，所
6.根据权利要求4所述的基于水系锌离子电池的一体式自供电压力传感器，其特征在于，所述钨酸钠与所述掺杂金属硝酸盐的摩尔比为（1~10）：1，优选为5:1；
7.根据权利要求4所述的基于水系锌离子电池的一体式自供电压力传感器，其特征在于，所述pH采用3±0.5 mol/L的HCl调节至1.2。
8.根据权利要求1所述的基于水系锌离子电池的一体式自供电压力传感器，其特征在于，所述负极为锌箔，长度为2 cm，宽度为1 cm；所述正极M-WO3@CC的长度为2 cm，宽度为1cm。
9.根据权利要求1所述的基于水系锌离子电池的一体式自供电压力传感器，其特征在于，所述模具的材质为聚四氟乙烯，长度为2 cm，宽度为1 cm，高度为0.5 cm。
10.一种权利要求1-9任一项所述的基于水系锌离子电池的一体式自供电压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于水系锌离子电池的一体式自供电压力传感器，其特征在于，包括相对设置的正极和负极，以及夹设在所述正极和负极之间的zn2+-pam水凝胶电解质；
2.根据权利要求1所述的基于水系锌离子电池的一体式自供电压力传感器，其特征在于，所述n，n′-亚甲基双丙烯酰胺的添加量为所述丙烯酰胺质量的0.01~0.1%，优选为0.06%；
3.根据权利要求1所述的基于水系锌离子电池的一体式自供电压力传感器，其特征在于，所述zn2+-pam水凝胶电解质的厚度为0.1~0.5 cm，优选为0.3 cm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于水系锌离子电池的一体式自供电压力传感器，其特征在于，所述正极的制备方法包括：将钨酸钠溶解在去离子水中，并将ph调至1~2，然后与草酸溶液混合，搅拌均匀后，加入硫酸铵和掺杂金属硝酸盐；将所得混合溶液和碳布转移至高压釜中，水热反应12~24小时，然后取出碳布，洗涤、干燥，形成表面水热生长了掺杂金属的m-wo3@cc；m表示掺杂金属；
5.根据权利要求4所述的基于水系锌离子电池的一体式自供电压力传感器，其特征在于，所述水热反应的温...
【专利技术属性】
技术研发人员：王秋凡，凌丹丹，田国付，向涛，李金鑫，陈瑞楠，查智元，张道洪，
申请(专利权)人：中南民族大学，
类型：发明
国别省市：
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