一种应用于电化学储能系统消防装备的高灵敏气体传感器技术方案

本发明专利技术涉及电化学储能系统消防装备领域，为解决现有技术下传感器监测锂离子电池热失控可燃气体存在灵敏度差、响应值低，无法实现早期安全预警，且使用寿命短的问题，公开了一种应用于电化学储能系统消防装备的高灵敏气体传感器，该气体传感器包括负载MOF材料的MXene薄膜，其中MOF材料为镍基MOF材料，MXene薄膜为Ti3C2T

【技术实现步骤摘要】
一种应用于电化学储能系统消防装备的高灵敏气体传感器


[0001]本专利技术涉及电化学储能系统消防装备领域，尤其涉及一种应用于电化学储能系统消防装备的高灵敏气体传感器。

技术介绍

[0002]锂离子电池的发展和推广是实现“双碳”目标的有力举措。但目前锂离子电池仍未达到本质安全标准，电池可能发生热失控，进而发展为大规模的爆炸、火灾事故。对于使用锂离子电池的储能系统，目前在用的安全预警系统主要参考建筑类消防的温感、烟感探测，只有在探测到可见烟或高温后才会发出报警信号，不能实现早期安全预警的功能。锂离子电池热失控阶段会释放可燃气体，这就为通过各种类型的气体传感器来进行预警提供了理论可能。气体探测预警技术与电压、温度监测预警相比，能够提前发出告警的时间，气体探测与其它技术手段具有更加简单、直观的优势。可燃性气体传感器是将某一种可燃性气体的体积分数转化为对应电信号的转换器，传感材料是决定气体传感器气敏性能的关键因素，决定着气体传感器的响应度、选择性和稳定性等性能指标。
[0003]传感器的高灵敏度必须同时满足两个要求：高电导率引起的低电噪声和强而丰富的分析物吸附位点引起的高信号，然而这两个特性是一对矛盾体，吸附位点(官能团或缺陷)的引入会引起电导率降低，现有传感器往往无法在这两个相互矛盾的条件中找到平衡。因此为实现基于气体传感器的锂离子电池健康状态，需要结合各种材料的优点，发挥协同作用，厘清不同传感器材料的微观结构和化学基团特性对锂离子电池热失控逸出目标气体进行监测的关键机理，选择适当的材料和开发新材料，使气体传感器的敏感特性达到最优，并实现传感器器件的微型化。
[0004]例如，在中国专利文献上公开的公告号为CN114577863A的“氧化镓薄膜氢气传感器制备方法及氧化镓薄膜氢气传感器”，该方法包括：对FTO玻璃基底的导电面进行清洗和干燥处理，在干燥后的FTO玻璃基底的导电面贴上绝缘胶带，以绝缘胶带覆盖区域作为电极；对FTO玻璃基底进行臭氧清洗；将臭氧清洗后的FTO玻璃基底置于含有镓离子的水热反应溶液中进行水热反应，以在FTO玻璃基底的导电面生长出氧化镓纳米阵列薄膜；对氧化镓纳米阵列薄膜进行退火处理，之后将掩膜版覆盖在所述氧化镓纳米阵列薄膜表面制备顶电极；然后去除绝缘胶带，露出底电极；从而获得附着有氧化镓纳米阵列薄膜层的氢气传感器。该传感器为氧化物传感器，在高温下对氢气的灵敏度较高，因此在早期安全预警方面能力较弱，并且该传感器使用氧化镓，成本较高。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了克服现有技术下传感器监测锂离子电池热失控可燃气体存在灵敏度差、响应值低，无法实现早期安全预警，且使用寿命短的问题，提供一种应用于电化学储能系统消防装备的高灵敏气体传感器，该气体传感器对磷酸铁锂电池热失控特征气体H2的吸附效果好，并且由较高的电导率，可实现对氢气的高响应值和高灵敏度检测，进而实现电化
学储能系统的热失控早期安全预警。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种应用于电化学储能系统消防装备的高灵敏气体传感器，所述气体传感器包括负载MOF材料的MXene薄膜。
[0007]本专利技术基于二维层状结构材料设计了一种具备限域和吸附系统作用的超长寿命高选择性新型气体传感器材料，该气体传感器材料利用MXene为支撑基底，通过原位合成引入一种具有开放性金属位点的微孔MOF材料，提升MXene材料对磷酸铁锂电池热失控特征气体H2的响应值及灵敏度。
[0008]作为优选，所述MOF材料为镍基MOF材料，所述MXene薄膜为Ti3C2T
x
或Ti2CT
x
。
[0009]镍基MOF材料对H2有良好的吸附效果，Ti3C2T
x
和Ti2CT
x
具有良好的电子传输速率，并且其独特的层状结构可为电子电荷提供了良好的传输通道，Ti3C2T
x
和Ti2CT
x
表面还富含氧基官能团，有利于对其进行改性处理，以改善其检测有害气体的灵敏度、降低其工作温度以及提高其传感效率。
[0010]作为优选，所述MOF材料为Ni
‑
MOF
‑
74，所述MXene薄膜为Ti3C2T
x
。
[0011]Ni
‑
MOF
‑
74对磷酸铁锂电池热失控特征气体H2具有优异的物理吸附性能。
[0012]作为优选，所述负载MOF材料的MXene薄膜由包括如下步骤的方法制备得到：(1)将LiF溶于盐酸溶液中，再加入Ti3AlC2或Ti2AlC，加热搅拌反应后分离得到沉淀物；(2)将沉淀物分散至水中，超声处理后，将悬浮液离心后，将上清液在真空下冷冻干燥以获得MXene薄膜粉末；(3)将MXene薄膜粉末加入溶剂中分散，依次加入有机配体和镍盐，加热反应后，分离收集固体物，将固体物依次浸于N,N
‑
二甲基甲酰胺、甲醇中，再在真空下加热干燥，即得Ni
‑
MOF/MXene薄膜。
[0013]氢氟酸刻蚀Ti3AlC2或Ti2AlC得到Ti3C2T
x
或Ti2CT
x
，再将Ti3C2T
x
或Ti2CT
x
进行超声处理、冷冻干燥以改善并保持其二维层状结构，最后再Ti3C2T
x
或Ti2CT
x
中原位合成镍基MOF材料得到Ni
‑
MOF/MXene薄膜。
[0014]作为优选，所述步骤(1)中，盐酸溶液的浓度为8～9mol/L，LiF、HCl和Ti3AlC2或Ti2AlC的摩尔比为(0.25～0.3):1:(0.025～0.03)。
[0015]作为优选，所述步骤(1)中，加热搅拌反应的温度为35～40℃，反应时间为36～48h。
[0016]作为优选，所述步骤(3)中将MXene薄膜粉末加入溶剂中分散，依次加入有机配体和镍盐，加热至90～100℃下反应12～48h，分离收集固体物，将固体物依次浸于N,N
‑
二甲基甲酰胺、甲醇中，再除去N,N
‑
二甲基甲酰胺和甲醇即得Ni
‑
MOF/MXene薄膜。
[0017]加入有机配体和镍盐后随反应时间的加长，MXene材料上的镍基MOF负载量增加，Ni
‑
MOF/MXene薄膜对H2的吸附能力也随之提高，但是当反应时间过长，表面生长的镍基MOF材料达到饱和后会逐渐堆积在一起形成致密层，这会阻碍Ni
‑
MOF与MXene之间的电荷传输，因此反应时间为12～48h较好。
[0018]作为更优选，所述步骤(3)中将MXene薄膜粉末加入溶剂中分散，依次加入有机配体和镍盐，加热至90～100℃下反应24～48h。
[0019]作为优选，所述步骤(3)中有机配体为对苯二甲酸、对苯二甲酸的一元取代物或对苯二甲酸的二元取本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于电化学储能系统消防装备的高灵敏气体传感器，其特征是，所述气体传感器包括负载MOF材料的MXene薄膜。2.根据权利要求1所述的一种应用于电化学储能系统消防装备的高灵敏气体传感器，其特征是，所述MOF材料为镍基MOF材料，所述MXene薄膜为Ti3C2T
x
或Ti2CT
x
。3.根据权利要求2所述的一种应用于电化学储能系统消防装备的高灵敏气体传感器，其特征是，所述MOF材料为Ni
‑
MOF
‑
74，所述MXene薄膜为Ti3C2T
x
。4.根据权利要求2所述的一种应用于电化学储能系统消防装备的高灵敏气体传感器，其特征是，所述负载MOF材料的MXene薄膜由包括如下步骤的方法制备得到：（1）将LiF溶于盐酸溶液中，再加入Ti3AlC2或Ti2AlC，加热搅拌反应后分离得到沉淀物；（2）将沉淀物分散至水中，超声处理后，将悬浮液离心后，将上清液在真空下冷冻干燥以获得MXene薄膜粉末；（3）将MXene薄膜粉末加入溶剂中分散，依次加入有机配体和镍盐，加热反应后，分离收集固体物，将固体物依次浸于N,N
‑
二甲基甲酰胺、甲醇中，再除去N,N
‑
二甲基甲酰胺和甲醇即得Ni
‑
MOF/MXene薄膜。5.根据权利要求4所述的一种应用于电化学储能系统消防装备的高灵敏气体传感器，其特征是，所述步骤（1）中，盐酸溶液的浓度为8...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈建良，管敏渊，楼平，莫金龙，韩磊，周开运，胡耀杰，尹世通，
申请(专利权)人：国网浙江省电力有限公司湖州供电公司，
类型：发明
国别省市：