阅读说明：本技术 一种绿色环保的淀粉基压敏电池的制备和应用 (Preparation and application of green and environment-friendly starch-based pressure-sensitive battery ) 是由 刘鹏 马聪 陆雨 韦林洁 郑楚燕 吴培源 黄世宽 张奔腾 于 2021-07-15 设计创作，主要内容包括：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。(The invention belongs to the field of battery manufacturing, and discloses a preparation and application method of a starch-based pressure-sensitive battery. The method comprises the following steps: mixing a certain amount of salt with water to form a salt solution, uniformly dispersing high amylose starch in the salt solution, and heating to gelatinize. And then adding metal powder and glycerol, cooling, and attaching the metal powder and glycerol to a metal sheet to obtain the starch-based pressure-sensitive battery. Compared with other batteries, the starch-based pressure-sensitive battery prepared by the invention has the advantages of green and environment-friendly production process, no generation of three wastes, no pollution to the environment and the like; the process flow is simple, the method can be suitable for industrial production, additional new equipment is not needed, the process is rapid, and the manufacturing speed is high; and the battery has pressure sensitivity and can generate linear response along with the change of the environmental pressure.)

一种绿色环保的淀粉基压敏电池的制备和应用

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，冷却时间优选为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±0.01V，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±0.01V。

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±0.01V。

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。