一种柔性锌离子电池型自供电压力传感器及其制备方法

本发明属于传感器，尤其是涉及一种柔性锌离子电池型自供电压力传感器及其制备方法。

背景技术：

1、随着进入物联网时代的到来，大量传感器节点分布在整个网络中，以捕获、处理和传输各种传感信息，在个性化医疗管理、人机交互、智能家居、环境监测等方面得到了新的应用，且同时越来越注重柔性化、轻量化等方面的研究，无需外接电源的精确连续压力信号检测，是实现可穿戴电子设备小型化的关键技术。如今，大多数可穿戴柔性传感设备需要繁重的布线和外部电源，限制了智能电子设备的进一步发展。虽然压电和摩擦电传感器无需外部电源即可实现自供电压力传感，但它们通常只能检测动态信号，无法在静态压力下持续保持信号输出。这限制了它们在静压检测中的应用。因此，开发一种新的传感机制或传感器对于在没有外部电源的情况下监测静态机械刺激至关重要。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在克服现有技术中上述问题的不足之处，从结构设计、材料选择与工艺制备三个方面入手制备出了一种柔性锌离子电池型自供电压力传感器。该传感器是基于柔性电池，通过引入隔离层从而实现压力检测。电池型传感器既可以作为优秀的自供电可穿戴压力传感器，又可以作为电池使用，结合了压力传感器和电池的优点。这种电池式传感策略可以解决当前压电和摩擦电自供电压力传感器通常只能检测动态压力的局限性。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种柔性锌离子电池型自供电压力传感器，包括正极层、凝胶电解质层、自支撑的负极层、隔离层、以及第三电极层，所述凝胶电解质层位于正极层和自支撑的负极层中间，所述隔离层位于自支撑的负极层和第三电极层中间，所述自支撑的负极层设置在隔离层下面。

4、进一步的，所述正极层为铜箔、电容型电极材料油墨涂覆在导电集流体上或金属氧化物油墨涂覆在导电集流体上的至少一种，所述电容型电极材料为活性炭(ac)、碳纳米管(cnts)、石墨烯、碳纤维中的至少一种，所述金属氧化物为mno2、ruo2、v2o5中的至少一种，所述导电集流体为不锈钢箔、不锈钢网、柔性导电弹性体基底中的至少一种。

5、进一步的，所述自支撑的负极层为柔性自支撑锌负极。

6、进一步的，所述隔离层为静电纺丝纤维薄膜或多孔海绵泡沫，厚度为(0.2mm～2mm)。

7、本发明还提供了一种柔性锌离子电池型自供电压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

8、(1)中间亲和层油墨制备；

9、将导电炭黑和多壁碳纳米管研磨，之后倒入水性聚氨酯里面搅拌，导电炭黑、多壁碳纳米管和水性聚氨酯按照重量比为(0.5～2)：1：(1.5～3.5)；

10、(2)正极层制备；

11、首先制备正极油墨，将导电炭黑、多壁碳纳米管和二氧化锰研磨，之后倒入由水性聚氨酯、tocnf水溶液、异丙醇组成的混合溶剂中进行搅拌，导电炭黑、多壁碳纳米管和二氧化锰按照重量比为1：1：(5.5～9.5)，水性聚氨酯、tocnf水溶液和异丙醇按照体积比为(1～2.5)：(4～6)：(8～12)，其中导电炭黑、多壁碳纳米管、二氧化锰和混合溶剂按重量比为1：1：(5.5～9.5)：(93～110)，其次制备模具，将耐高温聚酯薄膜(pet)放到激光切割机中加工出所需要的形状模具，剪去一块柔性基底，把pet模具与柔性基底紧密贴合，之后将中间亲和层油墨倒入由pet制备的模具中，在烘干箱里面真空加热之后，再把正极油墨倒在中间亲和层之上，继续在烘干箱里面真空加热；

12、(3)具有自支撑的负极层制备；

13、首先制备负极油墨，将导电炭黑、多壁碳纳米管和锌粉研磨，之后倒入由水性聚氨酯、tocnf水溶液、异丙醇组成的溶剂中进行搅拌。导电炭黑、多壁碳纳米管和锌粉按照重量比为1：1：(9.5～25)，水性聚氨酯、tocnf水溶液和异丙醇按照体积比为(1～2.5)：(4～6)：(8～12)，其中导电炭黑、多壁碳纳米管、锌粉和混合溶剂按重量比为1：1：(9.5～25)：(93～110)，其次制备模具，将耐高温聚酯薄膜(pet)放到激光切割机中加工出所需要的形状模具，剪去一块柔性基底，把pet模具与柔性基底紧密贴合，之后将中间亲和层油墨倒入由pet制备的模具中，在烘干箱里面真空加热之后，再把负极油墨倒在中间亲和层之上，继续在烘干箱里面真空加热；；

14、(4)凝胶电解质制备；

15、将pva、氯化锌、乙二醇和氧化石墨烯溶液倒入去离子水中，在95℃水浴中搅拌2小时；

16、(5)第三电极层制备；

17、将中间亲和层油墨倒入由pet制备的模具中，在烘干箱里面真空加热；

18、(6)从上向下依次放置第三电极层、隔离层、自支撑的锌负极层、凝胶电解质层、正极层，在其各部分的边缘周围涂覆半固化的pdms溶液进行封装。

19、本发明还提供了一种柔性锌离子电池型自供电压力传感器的应用，所述柔性锌离子电池型自供电压力传感器在可穿戴设备中的应用。

20、相对于现有技术，本发明所述的一种柔性锌离子电池型自供电压力传感器及其制备方法具有以下优势：

21、1、本发明在制备柔性电极过程中先在柔性基底上先涂覆中间亲和层油墨，之后再涂覆正/负极油墨，使得制备的电极具有优异的柔顺性和机械性能。

22、2、本发明通过新的策略制备传感器，在具有自支撑的负极和第三电极之间引入隔离层，使得在制备传感器时不会由于凝胶电解质具有粘附性或含有液体而存在制备局限性，并且引入的多孔海绵泡沫使得传感器具有宽的检测范围。

23、3、本发明的电池型传感器既可以作为优秀的自供电可穿戴压力传感器，又可以作为电池使用，结合了压力传感器和电池的优点。这种电池式传感策略可以解决当前压电和摩擦电自供电压力传感器通常只能检测动态压力的局限性。

技术特征：

1.一种柔性锌离子电池型自供电压力传感器，其特征在于：包括正极层、凝胶电解质层、自支撑的负极层、隔离层、以及第三电极层，所述凝胶电解质层位于正极层和自支撑的负极层中间，所述隔离层位于自支撑的负极层和第三电极层中间，所述自支撑的负极层设置在隔离层下面。

2.根据权利要求1所述的一种柔性锌离子电池型自供电压力传感器，其特征在于：所述正极层为铜箔、电容型电极材料油墨涂覆在导电集流体上或金属氧化物油墨涂覆在导电集流体上的至少一种，所述电容型电极材料为活性炭(ac)、碳纳米管(cnts)、石墨烯、碳纤维中的至少一种，所述金属氧化物为mno2、ruo2、v2o5中的至少一种，所述导电集流体为不锈钢箔、不锈钢网、柔性导电弹性体基底中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的一种柔性锌离子电池型自供电压力传感器，其特征在于：所述自支撑的负极层为柔性自支撑锌负极层。

4.根据权利要求1所述的一种柔性锌离子电池型自供电压力传感器，其特征在于：所述隔离层为静电纺丝纤维薄膜或多孔海绵泡沫，厚度为(0.2mm～2mm)。

5.一种柔性锌离子电池型自供电压力传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

6.一种柔性锌离子电池型自供电压力传感器的应用，其特征在于：所述柔性锌离子电池型自供电压力传感器在可穿戴设备中的应用。

技术总结
本发明提供了一种柔性锌离子电池型自供电压力传感器及其制备方法，传感器包括依次设置的正极层、凝胶电解质层、自支撑的负极层、隔离层、第三电极层，所述隔离层位于自支撑的负极层和第三电极层之间，因此，在没有外部机械压力时，整个回路处于开路状态，无法输出电信号。随着外部机械压力增大时，整个回路的界面电阻和隔离层电阻降低，从而实现机械信号到电信号的转换。本发明的锌离子电池型一体式自供电压力传感器结合了自供电、可充放电和优异压力传感性能，此外，该传感策略可以克服当前压电和摩擦电型自供电压力传感器通常只能检测动态压力的局限性。

技术研发人员：李国显,胡永鹏,赵振,刘凯阳,孟垂舟,禹伟,郭士杰
受保护的技术使用者：河北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7