CN103779885A

CN103779885A - 恒压自充电能量供给设备及其制造方法

Info

Publication number: CN103779885A
Application number: CN201310444879.4A
Authority: CN
Inventors: 王中林; 王思泓
Original assignee: National Center for Nanosccience and Technology China
Current assignee: Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2033-09-26
Also published as: CN103779885B

Abstract

本发明提供了一种可利用环境中的机械能而持续提供恒压输出的恒压自充电能量供给设备及其制造方法。该设备包括收集机械能的发电单元和用于能源储存的电池单元。本发明提供的方法能够将两个单元通过共用一个基底而有机的融合为一个器件。发电单元产生的交流信号整流之后为器件内部的电池单元进行充电。储存的电能由电池单元向外以直流恒压的形式给电子设备供电。本发明的设备具有“持续供电”工作模式，即电能的储存与对外供电同步进行。本发明能够采信环境机械能而持续不断的进行恒压输出，可作为给电子设备供电的独立、便携、体积小、重量轻、使用寿命长的电源。

Description

恒压自充电能量供给设备及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种能够向外部提供能量的能量供给设备及制造该设备的方法，所述能量供给设备具体是指一种自充电的恒压电源，特别是一种可收集和储存机械能而给外部负载持续供电的恒压自充电能量供给设备。

背景技术

随着电子信息工业的快速发展，具有更多功能和更高级人机交互的便携式电子器件在不断涌现，这对支撑它们工作的电源装置提出了更高的要求。要能够充分实现这些功能，必须要有能够独立工作，消耗自给和可持续不间断提供恒压输出的可移动新型电源。

在现有的能源科技中，环境能量转化和能量储存是最核心的两类技术。但是，他们各自对于实现这种新型的电源都有着自身的局限和问题。对于环境能量转化技术，基于此的器件能够通过利用自然界中的能量(如太阳能、机械能、生物能等)来产生电流，可望给可移动电子器件持续提供能量输入。但是，这类器件的电输出往往不可控、不稳定并且很大程度受周围环境能量波动的影响，因此很难用来直接给电子器件或系统供电。

而作为能量储存的元件，如电池等，虽然可以输出一个稳定电压而直接作为电子器件的电源，但它们具有有限的寿命，无法持续驱动电子设备的工作，因此，必须每隔一段时间就要进行再次充电或者更换电池。这一问题成为制约电池等的应用的一个核心问题，无法实现电子设备的独立长期运行。目前的纳米发电机也无法现解决这一问题，原因是现有的纳米发电机都是作为一个独立的电源来使用，当电池需要充电时将其与纳米发电机相连，充满电后再继续工作，这与普通的电池充电模式并无太大区别，同样无法保证设备电源的长期连续供给。

因此，如果将这两种技术类别各自的优点有机的结合起来，而实现一种新型自充电能源包，有望帮助我们解决这一问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是现有的能量供给设备不能无限期持续提供恒压输出，从而不能对电子设备的持续长期驱动。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种恒压自充电能量供给设备，包括发电单元、全桥整流电路和电池单元，所述发电单元用于将外界机械能转换为交流电信号，该交流电信号经过所述全桥整流电路整流成直流电后给所述电池单元实时充电，所述发电单元包括至少一个基底，所述电池单元与所述发电单元共用一个基底。

根据本发明的一种具体实施方式，所述发电单元包括能够相对运动的第一部件和第二部件，所述第一部件包括依次紧密结合的第一基底、第一导电层和第一摩擦层，第二部件包括紧密结合的第二导电层和第二摩擦层；所述电池单元和所述发电单元的第一部件共用所述第一基底；所述第一导电层和第二导电层通过导线与所述全桥整流电路的输入端相连；所述第一摩擦层与所述第二摩擦层的材料具有不同的摩擦电极序。

根据本发明的一种具体实施方式，所述第一部件与第二部件能够相对发生纵向离合运动或者水平滑动。

根据本发明的一种具体实施方式，所述发电单元的第一部件和第二部件为相对设置的拱形部件，并且二者的拱顶相互远离；所述第一部件和／或第二部件能够在外力作用下发生弹性形变从而使所述第一摩擦层与所述第二摩擦层全部或部分表面接触，并在撤去外力时恢复原状。

根据本发明的一种具体实施方式，所述第二部件还包括第二基底，所述第二基底、第二导电层和第二摩擦层依次叠置；所述第一摩擦层与所述第二摩擦层相互紧密接触；所述第一部件和第二部件能够在所述第一摩擦层与第二摩擦层的接触面上相互之间来回地滑动。

根据本发明的一种具体实施方式，所述第一导电层、第一摩擦层、第二导电层和第二摩擦层均为周期性栅格状。

根据本发明的一种具体实施方式，所述第一部件和第二部件是两个同心转盘，即第一转盘和第二转盘，所述两个转盘以中心对准的方式相互贴合，第一转盘和第二转盘能绕其中心轴进行相对地转动，在转动时在其接触面上能产生相对的滑动。

根据本发明的一种具体实施方式，所述两个摩擦层采用同样的“周期扇区”的方式来设置，所谓“周期扇区”是指在转盘上绕转动中心分布的多个大小相同且间隔相等的扇形区域。

根据本发明的一种具体实施方式，所述第一摩擦层与第二摩擦层中的至少一个为绝缘体材料。

根据本发明的一种具体实施方式，所述电池单元由发电单元进行充电的时候，同时向外部负载供电。

根据本发明的一种具体实施方式，所述电池单元包括一个用于封装的封装壳体，所述封装壳体用于使其内部与外部隔绝并且使内部能够容纳并充满电解液，在所述封装壳体的内部包括依次堆叠的正极、隔膜和负极；所述正极和负极均通过导线穿过所述封装壳体连接至所述全桥整流器；所述电池单元与所述第一部件共用所述第一基底。

根据本发明的一种具体实施方式，所述正极和负极采用为柔性导电材料作为集流体，所述隔膜采用多孔高分子薄膜。

根据本发明的一种具体实施方式，所述柔性导电材料为碳布。

根据本发明的一种具体实施方式，所述正极的材料是含有Li的化合物，所述负极的材料为能够通过反应插入Li的物质。

根据本发明的一种具体实施方式，所述封装壳体通过聚二甲基硅氧烷与所述第一基底密封。

本发明的另一方面提出一种制造恒压自充电能量供给设备的方法，用于制造如前所述的恒压自充电能量供给设备，所述制造电池单元的方法包括：步骤S1：选择高分子片状材料作为电池单元的基底；步骤S2：利用柔性集流体和电极材料制备电池单元的正极和负极，使所述两个电极均为柔性电极；步骤S3：将步骤S2中制备好的两侧电极材料与一个高分子隔膜按照正极、隔膜、负极的顺序依次堆叠于所述基底的上表面，其中正极和负极的集流体分别引出导线；步骤S4：将一层高分子覆盖薄膜覆盖于所述正极、隔膜和负极组成的堆叠体上，然后用粘性物质将所述高分子覆盖薄膜的与所述基底接触的边缘部分紧密粘附固定于基底之上，同时用聚二甲基硅氧烷进行密封，并留有一个供所述两个电极的导线引出的开口；步骤S5：从所述开口处向所述腔体中注入电解液，封闭所述开口。

根据本发明的一种具体实施方式，在步骤S2中，选用柔性导电材料作为所述正极和负极的集流体，通过化学合成直接将活性材料长在该柔性集流体上，整体作为电极。

根据本发明的一种具体实施方式，在步骤S2中，选用柔性导电材料作为所述正极和电极的集流体，将电极活性材料与导电剂和粘结剂混合，制成浆料，均匀涂布在所述柔性集流体上，再进行烘干。

根据本发明的一种具体实施方式，在所述步骤S2中，所述正极的材料是含有Li的化合物，所述负极的材料为能够通过反应插入Li的物质。

根据本发明的一种具体实施方式，所述活性材料具有纳米结构。

根据本发明的一种具体实施方式，在所述步骤S3中，所述隔膜的面积大于正极和负极的面积，使得两侧电极能够被完全隔开，不发生物理接触。

根据本发明的一种具体实施方式，在所述步骤S3中，所述正极、隔膜和负极的尺寸均小于所述基底和覆盖薄膜的尺寸，使它们可完全被基底和覆盖薄膜形成的壳层包裹。

根据本发明的一种具体实施方式，在所述步骤S4中，所述基底、正极、隔膜、负极和覆盖薄膜均为呈矩形，所述覆盖薄膜在与基底接触的三个侧面上固定。

根据本发明的一种具体实施方式，所述步骤S4还包括对所述接触侧面进行密封的步骤。

根据本发明的一种具体实施方式，通过聚二甲基硅氧烷使对所述接触侧面进行密封。

根据本发明的一种具体实施方式，所述密封步骤还可以包括对基底整体进行烘干的步骤。

根据本发明的一种具体实施方式，所述步骤S5在非氧气氛中进行。

(三)有益效果

本发明提供的恒压自充电能量供给设备是一种可独立持续驱动电子设备的便携式恒压电源，具有体积小、重量轻、便携、工作寿命长的优点。

附图说明

图1A和图1B是本发明的恒压自充电能量供给设备的结构和原理示意图；

图2是本发明的恒压自充电能量供给设备的电路图；

图3为本发明第一实施例的拱形自充电能源包的结构示意图；

图4A和图4B为本发明第一实施例的作为电池单元的阴极在碳布上生长有TiO₂纳米线网状结构的扫描电镜照片；

图5是根据第一实施例实施的一种典型器件的输出电压及电流图；

图6A和图6B为本发明第二实施例的滑动摩擦自充电能源包的器件结构示意图；

图7A和图7B为本发明第三实施例的转盘式摩擦自充电能源包的器件结构示意图。

具体实施方式

为解决上述技术问题，本发明将用于机械能转化的发电单元和用于电能储存的电池单元有机地集成到一个器件上，提出一种恒压自充电能量供给设备。在外界机械运动的作用下，该恒压自充电能量供给设备中的发电单元可以有效产生交流电信号，经过全桥整流电路整流成直流电信号后，该直流电给电池单元实时充电，由此，由机械能产生的电能被转化为化学能而同步储存在电池单元中，使得电池单元可以利用机械运动来达到充电。

为了实现这种集成，本发明提出的一种可行的结构设计是使发电单元和电池单元共用同一个基底(或支持基片)。换句话说，发电单元包括至少一个基底，所述电池单元集成在其中一个基底上。发电单元可选用摩擦电纳米发电单元，电池单元可选用锂离子电池单元，二者通过共同用的基底合二为一成为一个整体构件。基于这种设计，现有的任何摩擦电纳米发电单元，如垂直接触式和平行滑动式，都可以用来和任意类别的电池单元进行集成。

作为本发明的一种具体实施方式，所述恒压自充电能量供给设备基于拱形结构，拱形的摩擦电纳米发电单元和拱形的柔性锂离子电池单元相结合。该拱形结构包括两个相对设置的拱形部件，拱形结构是指向一侧弯曲的片材结构，弯曲的弧度的顶点称为拱顶。

本发明的所述两个相对设置的拱形部件的两端相互抵触并且其拱顶相互远离。两个部件可由柔性材料制成，如高分子材料。由于发电单元1的两个部件具有弹性，其能够在外力作用下被压平，并在撤去外力时恢复为拱形，该两个部件通过导线与所述全桥整流电路的输入端相连，由此可以将该外力转换为两个拱形部件的离合(接触与分离)的机械运动。而这种机械运动能够产生摩擦电荷，将其转换为电能后可供输出或给电池单元充电。

并且，其中一个部件的基底作为所述电池单元的封装基底，从而使得摩擦电纳米发电单元和电池单元结合在一起。并且，电池单元具有将电能转换为化学能储存并对外部负载进行供电的功能。针对不同的应用目的，通过选取适合的发电单元类型和结构以实现对所处环境中机械能的有效收集利用，选取适合的电池单元的结构和材料以输出相应的特征电压，以满足所要驱动的负载的工作需要。

所述恒压自充电能量供给设备可提供一种“能源包”工作模式。在该工作模式下，恒压自充电能量供给设备用作一种同时充放电的“能源包”，所谓“能源包”是指一种可独立持续工作的具有无限寿命的电源，电池单元由发电单元进行充电的时候，同时向外部负载供电。即“能源包”储存的能量在消耗的同时得到补充。由于电池单元的输出电压是由它所基于的电化学反应的电极电势差决定的，在很大范围内几乎不受电池单元内所存储的电量的影响，因此，只要发电单元给电池单元提供的平均充电电流大致等于电池单元驱动外部负载所需的电流，电池单元内所储存的电量就不会发生太大波动，电池单元就能够在这种模式下向外持续提供一个恒压输出。在这种模式下，由于电池单元内消耗的能量不断得到所转化的周围机械能的补充，该能源包就可以独立持续工作且具有无限寿命。

本发明的恒压自充电能量供给设备的制造方法包括发电单元的制造工艺和电池单元的制造工艺，为了将发电单元和电池单元集成在一起，关键步骤在于将电池单元集成在发电单元的一个基底上，特别是，当发电单元为弹性拱形结构时，要求集成在其上的电池单元具有柔软性。

下面结合附图来具体说明本发明的结构和工作原理，以使本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。需注意的是，附图中并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制，目的在于尽可能清晰地显示本发明的关键结构和原理。

图1A和图1B是本发明的恒压自充电能量供给设备的结构和原理示意图。如图1A所示，本发明所提供的可以同时收集和储存机械能的恒压自充电能量供给设备包括发电单元1和电池单元2，发电单元1包括两个能够相对运动的第一部件和第二部件，第一部件包括依次紧密结合的第一基底10、第一导电层11和第一摩擦层13，第二部件包括紧密结合的第二导电层12和第二摩擦层14。其中，第一摩擦层13与第二摩擦层14的材料具有不同的摩擦电极序。

如图1A所示，本发明的所述第一基底10设置在远离第二部件的一侧，并且，在该第一基底10的未与第一导电层11结合的一侧上设置所述电池单元2。也可以说，所述电池单元2与所述第一部件共用了第一基底10。

继续参照图1A，所述电池单元2包括一个用于封装的封装壳体29，所述封装壳体29用于使其内部与外部隔绝并且使内部能够容纳并充满电解液。在所述封装壳体29的内部包括依次堆叠的正极21、隔膜22和负极23。为了增加电池的整体柔性，正极21和负极23优选柔性导电薄层(如碳布等)作为集流体，隔膜22采用多孔高分子薄膜。

所述发电单元1的第一导电层11和第二导电层12通过导线连接至一个全桥整流器3的两个输入端，所述全桥整流器对于从发电单元1输入的电流进行整流，该整流器3的两个输出端分别连接至所述电池单元2的正极21和负极23。所述正极21和负极23均通过导线穿过所述封装壳体29连接至所述全桥整流器3。

在这个结构中，第二摩擦层14一般为绝缘体，而第一摩擦层13既可以为绝缘体、也可以为半导体或者导体，两个摩擦层优先选取摩擦电极序相差较大的材料。可以选自聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、派瑞林、玻璃半导体、有机半导体、非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物、金属、铟锡氧化物ITO、掺杂的半导体和导电有机物中的至少一种或几种的组合。当任意一侧的摩擦层(第一摩擦层13或第二摩擦层14)为导体时，它可以同时也充当导电层，从而省略所述第一导电层11或第二导电层12，作为发电单元1的电极，如图1B所示。

在上述结构的基础上，所述发电单元1可以是任意工作模式和结构的摩擦发电单元，例如，所述第一部件与第二部件可以纵向离合运动，也可以水平滑动。同样，在上述结构的基础上，所述电池单元也可以是任何类型和电极材料的可充电电池单元。例如，镍氢电池、镍铬电池、镍铁电池、铅酸电池等。

在周围环境中机械运动的驱使下，所述第一摩擦层13和第二摩擦层14可以发生周期性相对运动，而使得摩擦层表面上所带的异号摩擦电荷周期性改变第一导电层11和第二导电层12(第二导电层也可由第二摩擦层14充当)之间的感应电势差，驱动外部电路产生交流电流。该交流输出经过整流器3整流后，变成直流电流，按照从正极流入从负极流出的方向输入电池单元的正、负两极，对电池单元进行充电。

图2是本发明的恒压自充电能量供给设备的电路图。如图2所示，发电单元1经由一个全桥整流器3与电池单元2连通，电池单元2同时与一个外部负载R连接。在整流器3与电池单元之间可设置一个第一开关S1，在电池单元2与外部负载R之间也可设置一个第二开关S2。当所述第一开关S1闭合时，电池单元2与发电单元1构成充电回路，当所述第二开关S2闭合时，电池单元2与外部负载R构成放电回路。当第一开关S1与第二开关S2都闭合时，构成同时充放电回路。

将电池单元集成在发电单元的步骤包括：

步骤S1：选择呈自然弯曲形状的高分子片状材料作为电池单元的基底。

可使用通过人为引入热应力而呈自然弯曲形状的高分子片状材料作为基底。具体方法是在较高温度下(150度以上)在高分子膜上表面沉积一层与该高分子热膨胀系数相差较大的材料(如SiO₂)。一般来说，要在冷却后达到较好的弯曲效果，沉积的薄膜的厚度需要在500nm以上。

步骤S2：利用柔性集流体和电极材料制备电池单元的正极和负极，使所述两个电极均为柔性电极。

选用柔性导电材料(如碳布等)作为两侧电极的集流体。可通过化学合成直接将活性材料长在该柔性集流体上，整体作为电极。也可以将制备好的电极活性材料与导电剂和粘结剂混合，制成浆料，均匀涂布在所选柔性集流体上，再在高温(110～120℃)下真空烘干。其中，正极材料一般选用含有Li的化合物，如LiCoO₂、LiMn₂O₄、LiFePO₄等；而负极材料一般选用可以通过反应插入Li的物质，如石墨、Si、TiO₂、Ge、SnO₂等。如果所选活性材料可以制备为纳米结构(如纳米线、纳米管、纳米棒、纳米颗粒等)，将具有更好的电化学储存性能。

步骤S3：将步骤S2中制备好的两侧电极材料与一个高分子隔膜按照正极、隔膜、负极的顺序依次堆叠于所述基底的凸面上，其中正极和负极的集流体分别引出导线。

所述高分子隔膜可以是聚乙烯、聚丙烯等，高分子隔膜的面积需要大于正极和负极的面积，使得两侧电极能够被完全隔开，不发生物理接触。而这三层各自的尺寸需均小于基底和覆盖薄膜的尺寸，使它们可完全被基底和覆盖薄膜形成的壳层包裹。

步骤S4：将一层高分子覆盖薄膜覆盖于所述正极、隔膜和负极组成的堆叠体上，然后用粘性物质将所述高分子覆盖薄膜的与所述基底接触的边缘部分紧密粘附固定于基底之上，并留有一个供所述两个电极的导线引出的开口。

例如，当所述基底、正极、隔膜、负极和覆盖薄膜均为呈矩形时，所述覆盖薄膜可以在与基底接触的三个侧面上固定，而将与基底弯曲方向垂直(即不具有弯曲弧度的)一侧敞开不做固定，同时两个电极的导线从这一侧引出。所述粘性物质可以是双面胶等。所述高分子薄膜的厚度优选为不大于所棕基底厚度的五分之一。这样，覆盖薄膜和基底就形成一个包裹所述正极、隔膜和负极组成的堆叠体的一个腔体，覆盖薄膜下方中间部位覆盖电极材料。所述高分子覆盖薄膜最后成为电池单元的封壳体29。

该步骤还优选为包括对所述接触侧面进行密封的步骤。例如，可将基体与固化剂以10：1比例混合好的PDMS均匀涂于用粘性物质(如双面胶等)固定好的侧面，达到密封的目的。密封步骤还可以包括对基底整体进行烘干的步骤，例如将其转移至110℃的烘箱中，放置12小时，一方面使诸如PDMS的固化剂充分固化，另一方面也能达到去除水分的目的。

步骤S5：从所述开口处向所述腔体中注入电解液，封闭所述开口。

该步骤可将基底整体转移至充满氩气的手套箱中。从密封壳层的开口一侧处注入锂离子电池常用电解液(例如六氟磷酸锂在体积比1：1：1的碳酸乙烯酯：碳酸二甲酯：碳酸二乙酯中的混合溶液)。将混合好的环氧树脂胶均匀涂在上述壳层剩余的一个开口处，使得电解液被完全密封在壳层内。然后将器件放置12个小时以上，待环氧树脂胶充分固化后再将器件取出手套箱。

下面列举几个具体的实施例对本发明的技术方案进行更加清楚、完整地描述。应当了解的是，所描述的实施例仅是实施本发明的示例实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

第一实施例1

该实施例将本发明实施为一种拱形自充电能源包，图3为第一实施例的结构示意图。如图3所示，在这一实施例中，为了满足摩擦发电机中电荷分离的需要，发电单元的第一部件和第二部件设计为中间具有空腔的弹性拱形结构，电池单元为天然成弯曲形状的软性锂离子电池单元。拱形结构是指向一侧弯曲的片材结构，弯曲的弧度的顶点称为拱顶。

如图3所示，该实施例的拱形结构包括两个相对设置的拱形的第一部件和第二部件，所述两个部件的两端相互抵触并且其拱顶相互远离。第一部件由基底10和第一摩擦层13紧密结合而成，拱形朝着基底10一侧凸出。第二部件由导电层12和第二摩擦层13紧密结合而成，拱形朝着导电层12一侧凸出。

所述第一部件和第二部件的各层可由弹性材料制成。具体来说，作为一种代表结构，该实施例可选用自然弯曲的柔软高分子(例如聚酰亚胺)作为基底10，这种弯曲的形状可以通过在高温下镀上一种热膨胀系数相差较大的材料(如SiO₂等)来实现。接着，可通过在基底10的凹面镀上一层金属薄膜作为第一摩擦层13，该第一摩擦层13兼起导电层的作用可由金属铝构成。第二摩擦层14则可以采用与基板10相同的材料和工艺制成，并在其凸面镀上一层金属薄膜作为导电层12。第二导电层12的材料可与第一摩擦层13的材料相同，均为铝。

为了提高该摩擦发电机单元的输出效率，第二摩擦层14面向第一摩擦层13的表面上可以通过物理修饰以增大有效接触面积和粗糙度，例如可以通过感应耦合等离子刻蚀使表面的全部或部分产生聚酰亚胺纳米棒阵列。

由于发电单元1的第一部件和第二部件的材料具有弹性，因此能够在外力作用下被压平，并在撤去外力时反弹为拱形，由此可以将该外力转换为两个拱形部件的离合(接触与分离)的机械运动。而这种机械运动能够产生摩擦电荷，将其转换为电能后可经由整流器3给电池单元2充电。

在所述基板10的凸面上，依次叠置电池单元2的正极21、隔膜层22(如聚乙烯)和负极23(例如TiO₂)。正极21可以是涂布在Al箔上的LiFePO₄、导电碳、粘结剂的混合物，隔膜层22可以是聚乙烯，负极23可以是TiO₂。

正极21和负极23包括用于通过电化学反应储存电能的活性电极材料，和用于在两侧电极处收集导通电流的集流体。为了电池单元2的柔软性，以便随着基底10一体地运动，可以选用柔软的材料作为正极21和负极23的集流体，作为一种优选实施方式，可以将TiO₂纳米线生长在碳布上面，作为电池单元2的柔软负极。在此结构中，具有优良导电性的碳布同时作为负极的集流体。生长在碳布上的TiO₂的扫描电子显微镜(SEM)照片如图4A和图4B所示。其中，图4A的右上角为碳布中生长有TiO₂纳米线的单根纤维的放大图，图4B为图4A中白圈中的放大图，清楚显示了TiO₂纳米线的形貌和它们在基底的良好均匀覆盖。该方法制备的电池负极，电极材料具有很大的比表面积，使得电化学反应得以充分进行，有利于提高电池的性能。

所述的在基底10上依次叠置的正极21、隔膜层22和负极23由一个电池壳体29封装。下面来说明形成锂离子电池的封装壳体29的方法。

首先用一个比基底10薄很多的柔软高分子薄膜(基底厚约125微米，高分子薄膜厚约25微米)覆盖住整个电极结构(依次叠置的正极21、隔膜层22和负极23)。该实施例中，基底和其上覆盖的各层均呈矩形，基底在矩形的一条侧边方向上弯曲。由此，在其与基底10结合的四个侧面的边缘处，先用聚酰亚胺双面胶带在三个侧面进行固定，留有与图3中显示平面垂直的一侧作为开口，用于电极的导线的引出和后续电解液的注入。由于叠置的电池正极层、负极层和隔膜具有一定厚度，可将其上覆盖薄膜中间部位撑起，形成一个腔体。然后，用基体和固化剂按10：1的比例刚刚混合好的聚二甲基硅氧烷(PDMS)(或其他由两种胶状成分混合固化后呈柔软态的高分子材料，如聚乙烯醇等)将这三侧的结合处进行密封。所述电极21、23的集流体连有的导线从开口一侧引出，达到外部封装壳体29。接下来，将连接有封装壳体29的基底10转移至110℃恒温烘箱中烘烤12小时，一方面为了PDMS密封层的固化，另一方面帮助电池结构除水。之后，将从烘箱中取出的基底10立即放入充满氩气的手套箱。在手套箱内，通过该电池单元2的封装壳体29与基底10之间剩余一侧的开口处，注入电解液，使电极结构完全浸泡在电解液中。最后，将封装壳体剩余的开口处用环氧树脂粘合进行密封。将与电池单元连接的基板10放置12个小时后，环氧树脂完全凝固，可将其从手套箱内取出。由于这一封装壳体29的上层的高分子薄膜具有远小于支撑层基底的厚度，平行于弯曲方向两侧的封装材料为柔软的PDMS，因而这个电池单元在自然状态下的形状将由其基底10决定，即呈现拱形，并且在外部压力的作用下可以发生形变。在该拱形结构中，外部机械能可通过作用于该拱形的凸面(即拱形顶点侧)将其压平。

该实施例的自充电能源包在外界机械力作用下，柔软且弹性的拱形结构可以被周期性的压平，使得第一摩擦层13和第二摩擦层14相互接触而产生摩擦电荷。这两个异号摩擦电荷面随着作用力间歇性地撤去而发生周期性分离，在发电单元1的两个电极之间产生周期变化的感应电势差，而在外电路产生交流电输出。该交流电经过整流后可以储存在电池单元2中，便于以后使用。

图5显示了根据第一实施例实施的一种典型器件在“可持续模式”下作为恒压供电装置输出电压及电流。经实验检测，其能够在9Hz的外界机械振动作用下，以大约1.55V的稳定电压持续输出一个2μA的电流长达40个小时。

第二实施例

第二实施例也是一种自充电能源包，与第一实施例不同的是，其发电单元采用直线滑动式摩擦发电单元。图6A和图6B为第二实施例的结构示意图，其中图6B是图6A中部分结构的放大示意图。如图6A所示，发电单元1同样包括第一部件和第二部件，第一部件包括依次叠置的第一基底10、第一导电层11和第一摩擦层13，第二部件包括依次叠置的第二基底16、第二导电层12和第二摩擦层14。第一摩擦层13与第二摩擦层14相互紧密接触，第一部件和第二部件能够在第一摩擦层13与第二摩擦层14的接触面上相互之间来回地滑动。

该实施例中，所述第一基底10和第二基底16是两个刚性平板，在两个平板的相对表面粘附有成周期性栅格状排布的摩擦层和导电层。图6B显示了所述周期性栅格状排布结构，其中显示了第一部件的第一导电层11和第一摩擦层13。所谓周期性栅格状排布是指摩擦层和导电层周期性等间隔地排布，各间隔之间的摩擦层和导电层区域称为栅格单元。与如图6B所示，同一基底10表面的摩擦层13为相同材料，其下的栅格状导电层11在通过导线15连在一起，相互导通。相对的，第二部件与第一部件具有类似的结构，但第二摩擦层14与第一摩擦层13是摩擦电极序不同的两种不同材料。

在该实施例中，发电单元1的其中一个部件的基底，例如第一基底10同时作为电池单元的封装壳体29的支撑基底，在其外部附着有电池单元，电池单元的结构、材料和制造工艺与第一实施例相同，也可根据本领域的惯用技术手段进行替换或修饰，在此不再赘述。

更具体的，与第一实施例类似，发电单元1的第一摩擦层13与第二摩擦层14中的至少一个为绝缘体材料，另一个可为绝缘体也可为导体。如果摩擦层是是导体，则摩擦层可以兼起导电层的作用，由此，导电层可以省略。同样，为了增加摩擦电荷密度，可以通过物理手段(如刻蚀)或者化学手段(如功能基团修饰)对摩擦层表面进行修饰，增大有效接触面积和表面粗糙度，以及两个表面间的有效费米能级之差。

在工作时，发电单元1的两个部件的接触表面保持相互贴合，受到外界机械振动的带动而在沿着接触表面的方向发生相互错动，产生摩擦电荷。当栅格单元的间距不小于栅格单元的宽度时，接触表面的滑动能够使第一摩擦层13和第二摩擦层14从完全重合的位置互相滑动到完全不重合。例如，若栅格单元的距离与栅格单元宽度相等，则当两个部件从完全重合滑动至完全不重合后又回到完全重合位置时，相反的摩擦电荷面就从全部重合的状态，变到全部相互分离，再回到相互重合，这可以产生一对交流电信号。因此，当两个部件朝一个方向滑开一个完整基板的长度时，电荷就发生了多次重合-分离-重合的过程，而产生多组交流信号，有效转化机械能。当外界的机械能输入使得两个基板反复来回错动，就能持续产生交流电信号，经过整流后，可以有效储存在上述电池单元中。

第三实施例

第三实施例是一种转盘式自充电能源包，即其中的发电单元1是转盘式摩擦发电单元。图7A和7B显示了第三实施例的原理结构图。如图7A所示，该实施例的电池单元的第一部件和第二部件是两个同心转盘，即第一转盘和第二转盘，两个转盘均呈圆饼形且外径相等。并且，两个转盘以中心对准的方式相互贴合，第一转盘和第二转盘能绕其中心轴进行相对地转动(可同时转动，或者一个静止，另一个转动)，在转动时在其接触面上能产生相对的滑动。两个转盘的叠层结构与第一实施例和第二实施例类似，即其接触面上均包括摩擦层，第一摩擦层13与第二摩擦层14具有不同的摩擦电极序。在摩擦层背后贴附有导电层，同一个转盘上的导电层区域相互连接，成为一个整体电极。当两个转盘相对转动时，通过该两种不同的摩擦材料之间的滑动摩擦，在两个摩擦层上产生电性相异的接触电荷。

为了有更好的发电效果，两个摩擦层优选为用同样的“周期扇区”的方式来设置，所谓“周期扇区”是指在转盘上绕转动中心分布的多个大小相同且间隔相等的扇形区域，如图7B所示。为了实现和电池的结合，两个转盘中的任意一个同时还作为电池单元的封装壳体的支撑基底，从而在其背面附着有电池单元。类似的，电池结构是由正极、隔膜、负极和电解液组成，与前述实施例相同，在此不再详细展开说明

当两个表面在外界转动能量的带动下发生相互转动时，两个表面的的扇形摩擦区域就会发生周期性的重合与分离，从而感应产生交流电信号，整流后可以储存于电池单元中。

上述实施例示例性地实施了本发明的恒压自充电能源包的结构，并且，它们都具有一种全新工作模式-“持续供电”。在该模式下，发电单元利用从机械能产生的电流给电池单元充电的同时，电池单元也在向外部负载R供电，给负载提供一个稳恒电压。在这种模式下，电池中消耗的能量不断得到发电机的补充，而使得其内部的能量可以在很长的时间范围内保持在一个稳定的状态。由于电池单元的输出电压是由它所基于的电化学反应的电极电势差决定的，在很大范围内几乎不受电池单元内所存储的电量的影响，因此只要发电单元给电池单元提供的平均充电电流大致等于电池驱动负载所需的电流，电池单元内所存的电量就不会发生太大波动，电池单元就能够在这种模式下向外持续提供一个恒压输出，从而该自充电能源包就可以作为一个可独立持续工作的具有无限寿命的电源。

在本发明提供的这种新型工作模式中，由机械能产生的非连续不稳定电输出不再用于直接驱动负载器件工作，而是作为电池能的能源补充。由于机械能在自然界和人类生活中广泛存在随处可得，电池单元中的能量就可能随时得到补充，而达到持续工作的无限寿命。上述实施例中实施的发电单元和电池单元是本发明在具体实施过程中的示例，本发明的主旨在于将上述发电单元和电池单元合成一个整体，以提供在自充电的同时为外部负载供电的技术效果。因此，上述实施例并不应解释为对本发明作任何形式上的限制，对于本领域的普通技术人员，在上述实施例的基础上不付出创造性劳实现的发电单元和电池单元的整合结构并达到同时充放电的效果的技术方案，均包括在本发明的范围内。

Claims

1.一种恒压自充电能量供给设备，包括发电单元、全桥整流电路和电池单元，所述发电单元用于将外界机械能转换为交流电信号，该交流电信号经过所述全桥整流电路整流成直流电后给所述电池单元实时充电，其特征在于：所述发电单元包括至少一个基底，所述电池单元与所述发电单元共用一个所述基底。

2.如权利要求1所述的恒压自充电能量供给设备，其特征在于：所述发电单元包括能够相对运动的第一部件和第二部件，所述第一部件包括依次紧密结合的第一基底(10)、第一导电层(11)和第一摩擦层(13)，第二部件包括紧密结合的第二导电层(12)和第二摩擦层(14)；

所述电池单元(2)和所述发电单元的第一部件共用所述第一基底(10)；

所述第一导电层(11)和第二导电层(12)通过导线与所述全桥整流电路的输入端相连；

所述第一摩擦层(13)与所述第二摩擦层(14)的材料具有不同的摩擦电极序。

3.如权利要求2所述的恒压自充电能量供给设备，其特征在于：所述第一部件与第二部件能够相对发生纵向离合运动或者水平滑动。

4.如权利要求2所述的恒压自充电能量供给设备，其特征在于：

所述发电单元的第一部件和第二部件为相对设置的拱形部件，并且二者的拱顶相互远离；

所述第一部件和／或第二部件能够在外力作用下发生弹性形变从而使所述第一摩擦层(13)与所述第二摩擦层(14)全部或部分表面接触，并在撤去外力时恢复原状。

5.如权利要求2或3所述的恒压自充电能量供给设备，其特征在于：

所述第二部件还包括第二基底(16)，所述第二基底(16)、第二导电层(12)和第二摩擦层(14)依次叠置；

所述第一摩擦层(13)与所述第二摩擦层(14)相互紧密接触；

所述第一部件和第二部件能够在所述第一摩擦层(13)与第二摩擦层(14)的接触面上相互之间来回地滑动。

6.如权利要求5所述的恒压自充电能量供给设备，其特征在于：所述第一导电层(11)、第一摩擦层(13)、第二导电层(12)和第二摩擦层(14)均为周期性栅格状。

7.如权利要求2所述的恒压自充电能量供给设备，其特征在于：

所述第一部件和第二部件是两个同心转盘，即第一转盘和第二转盘，所述两个转盘以中心对准的方式相互贴合，第一转盘和第二转盘能绕其中心轴进行相对地转动，在转动时所述第一摩擦层(13)和所述第二摩擦层(14)相互接触并产生相对的滑动。

8.如权利要求7所述的恒压自充电能量供给设备，其特征在于：

所述两个摩擦层采用同样的“周期扇区”的方式来设置，所谓“周期扇区”是指在转盘上绕转动中心分布的多个大小相同且间隔相等的扇形区域。

9.如权利要求1～8中任一项所述的恒压自充电能量供给设备，其特征在于：所述第一摩擦层(13)与第二摩擦层(14)中的至少一个为绝缘体材料。

10.如权利要求1～8中任一项所述的恒压自充电能量供给设备，其特征在于：所述电池单元由发电单元进行充电的时候，同时向外部负载供电。

11.如权利要求1～8中任一项所述的恒压自充电能量供给设备，其特征在于：所述电池单元包括一个用于封装的封装壳体(29)，所述封装壳体29用于使其内部与外部隔绝并且使内部能够容纳并充满电解液，在所述封装壳体(29)的内部包括依次堆叠的正极(21)、隔膜(22)和负极(23)；所述正极(21)和负极(23)均通过导线穿过所述封装壳体(29)连接至所述全桥整流器；所述电池单元与所述第一部件共用所述第一基底(10)。

12.如权利要求11所述的恒压自充电能量供给设备，其特征在于：所述正极(21)和负极(23)采用为柔性导电材料作为集流体，所述隔膜(22)采用多孔高分子薄膜。

13.如权利要求11所述的恒压自充电能量供给设备，其特征在于：所述柔性导电材料为碳布。

14.如权利要求11所述的恒压自充电能量供给设备，其特征在于：所述正极的材料是含有Li的化合物，所述负极的材料为能够通过反应插入Li的物质。

15.如权利要求11所述的恒压自充电能量供给设备，其特征在于：所述封装壳体(29)通过聚二甲基硅氧烷与所述第一基底(10)密封。

16.一种制造恒压自充电能量供给设备的方法，用于制造如权利要求1～14中任一项所述的恒压自充电能量供给设备，其特征在于，所述制造电池单元的方法包括：

步骤S1：选择高分子片状材料作为电池单元的基底；

步骤S2：利用柔性集流体和电极材料制备电池单元的正极和负极，使所述两个电极均为柔性电极；

步骤S3：将步骤S2中制备好的两侧电极材料与一个高分子隔膜按照正极、隔膜、负极的顺序依次堆叠于所述基底的上表面，其中正极和负极的集流体分别引出导线；

步骤S4：将一层高分子覆盖薄膜覆盖于所述正极、隔膜和负极组成的堆叠体上，然后用粘性物质将所述高分子覆盖薄膜的与所述基底接触的边缘部分紧密粘附固定于基底之上，同时用聚二甲基硅氧烷进行密封，并留有一个供所述两个电极的导线引出的开口；

17.如权利要求16所述的制造恒压自充电能量供给设备的方法，其特征在于：在步骤S2中，选用柔性导电材料作为所述正极和负极的集流体，通过化学合成直接将活性材料长在该柔性集流体上，整体作为电极。

18.如权利要求16所述的制造恒压自充电能量供给设备的方法，其特征在于：在步骤S2中，选用柔性导电材料作为所述正极和电极的集流体，将电极活性材料与导电剂和粘结剂混合，制成浆料，均匀涂布在所述柔性集流体上，再进行烘干。

19.如权利要求16所述的制造恒压自充电能量供给设备的方法，其特征在于：在所述步骤S2中，所述正极的材料是含有Li的化合物，所述负极的材料为能够通过反应插入Li的物质。

20.如权利要求19所述的制造恒压自充电能量供给设备的方法，其特征在于：所述活性材料具有纳米结构。

21.如权利要求16所述的制造恒压自充电能量供给设备的方法，其特征在于：在所述步骤S3中，所述隔膜的面积大于正极和负极的面积，使得两侧电极能够被完全隔开，不发生物理接触。

22.如权利要求16所述的制造恒压自充电能量供给设备的方法，其特征在于：在所述步骤S3中，所述正极、隔膜和负极的尺寸均小于所述基底和覆盖薄膜的尺寸，使它们可完全被基底和覆盖薄膜形成的壳层包裹。

23.如权利要求16所述的制造恒压自充电能量供给设备的方法，其特征在于：在所述步骤S4中，所述基底、正极、隔膜、负极和覆盖薄膜均为呈矩形，所述覆盖薄膜在与基底接触的三个侧面上固定。

24.如权利要求23所述的制造恒压自充电能量供给设备的方法，其特征在于：所述步骤S4还包括对所述接触侧面进行密封的步骤。

25.如权利要求24所述的制造恒压自充电能量供给设备的方法，其特征在于：通过聚二甲基硅氧烷使对所述接触侧面进行密封。

26.如权利要求24所述的制造恒压自充电能量供给设备的方法，其特征在于：所述密封步骤还可以包括对基底整体进行烘干的步骤。

27.如权利要求16所述的制造恒压自充电能量供给设备的方法，其特征在于：所述步骤S5在非氧气氛中进行。