CN104362885A - 一种能提高能量转换效率的电容式发电机及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能提高能量转换效率的电容式发电机，包括上下电极，其特征在于：在下电极上表面设置一层PDMS复合膜，所述PDMS复合膜与上电极之间有间隙，该PDMS复合膜中添加有导电微纳米颗粒。本发明还公开了该种电容式发电机的制备方法。本发明的纳米发电机大大提高了发电机能量转换效率，输出电流、输出电压、和输出功率均得到很大的提高。该方法工艺简单、成本低廉、高效、环保，适合大规模生产。对电容式发电机的结构设计和优化有重要的指导意义。

Description

一种能提高能量转换效率的电容式发电机及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种电容式发电机及其制备方法，特别涉及一种能提高能量转换效率的电容式发电机及其制备方法。

背景技术

当今世界，能源短缺和环境问题日益严重，可持续绿色无污染能源的寻求愈加迫切。能源问题成为影响人类进步和可持续发展的重大问题之一，各种围绕新能源开发、可再生能源重复利用的研究正在世界各地如火如荼的进行之中。基于纳米器件的能源研究工作是在小尺度范围内进行的，虽然无法解决人类传统能源日益枯竭的问题，但却也足以影响到人们的日常生活，特别是移动式和便携式小型电子设备。2006年，美国佐治亚理工学院的王中林研究组首次提出了纳米发电机的理念，开辟了能源转化和应用的一个新的范畴。此后，各种类型的纳米发电机不断被研制出来。传统的压电纳米发电机是利用压电材料自身的压电效应来实现将各种形式的机械能转化为可利用的电能，摩擦纳米发电机是利用聚合物和金属之间的摩擦起电和静电感应的原理来将机械能转化为电能，但是单个发电机器件的输出电流和功率都不高，这在一定程度上阻碍了纳米发电机在实际生活中的应用。因此，迫切需要提高纳米发电机的输出电流和功率来满足当前特殊应用领域的需求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供另一种能提高能量转换效率的电容式发电机，本发明的第二目的是提供该种电容式发电机的制备方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种能提高能量转换效率的电容式发电机，包括上下电极，其特征在于：在下电极上表面设置一层PDMS复合膜，所述PDMS复合膜与上电极之间有间隙，该PDMS复合膜中添加有导电微纳米颗粒。

作为上述方案的优选：所述导电微纳米颗粒为导电石墨粉。

本发明的第二目的是这样实现的：一种能提高能量转换效率的电容式发电机的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)、将PDMS和固化剂混合配成A组分，将导电微纳米颗粒溶解在无水乙醇中得到B组分，然后将B组分加入到A组分中，充分搅拌，直至导电微纳米颗粒与PDMS混合均匀为止，得到C组分；

(2)、将步骤(1)中得到的C组分制成PDMS复合膜；

(3)、将步骤(2)中制得的PDMS复合膜置于下电极上表面，所述PDMS复合膜与上电极之间有间隙，得到纳米发电机。

作为优选：所述导电微纳米颗粒为导电石墨粉颗粒。

在上述方案中：所述导电石墨粉的质量为导电石墨粉、PDMS和固化剂总量的0.9％-6％。

在上述方案中：所述导电石墨粉的质量为导电石墨粉、PDMS和固化剂总量的3％。

在上述方案中：所述PDMS和固化剂的质量比为10:1。

在上述方案中：步骤(2)的具体操作为：

将步骤(1)中得到的C组分转移到平底的器皿中，然后将其分散开来，3-5min后C组分会均匀分散成PDMS复合膜；再将器皿置于55℃-80℃的干燥箱中干燥固化处理2-4h，最终得到固定厚度的PDMS复合膜；

或将步骤(1)中得到的C组分转移到用胶带在玻璃板上粘成的腔体中，然后再用载玻片朝一个方向刮成一定厚度的膜，再将玻璃板置于55℃-80℃的干燥箱中干燥固化处理2-4h，最终得到固定厚度的PDMS复合膜。

在上述方案中：步骤(2)具体操作为：

将氧化锌团聚球颗粒或纳米棒均匀溶解在无水乙醇中，得到D组分，然后将D组分加入到C组分中，再用玻璃棒充分搅拌10-20min，直至混合均匀为止，得到E组分，然后将E组分转移到用胶带在玻璃板上粘成的腔体中，再用载玻片朝一个方向刮成一定厚度的膜，再将玻璃板置于55℃-80℃的真空干燥箱中干燥固化处理2-4h，再将复合膜放置在盐酸溶液中刻蚀5-8h，最终得到多孔海绵状的PDMS复合膜。

在上述方案中：氧化锌团聚球颗粒或纳米棒的质量小于PDMS、导电微纳米颗粒和固化剂总量的10％。增加氧化锌团聚颗粒或纳米棒，得到多孔海绵状PDMS复合膜，进一步增加表面带电量。

我们对制备的电容式结构的摩擦纳米发电机进行电学性能输出表征，并进行对比分析，对其机理进行分析。机理如下：电容式结构的发电机的聚合物表面的最大电荷密度由电容式结构的发电机的电容大小决定。电容量越大，在相同的摩擦条件下聚合物表面就能储存更多的驻极电荷，而电容量主要由相对介电常数与介电层的厚度的比值决定我们首先比较了掺入导电石墨粉的PDMS复合膜与纯PDMS制成的纳米发电机进行了对比(如图2所示)。然后通过掺入不同量的导电石墨粉颗粒来改善PDMS复合膜电学性能输出(如图3所示)，从图5中我们可以看出，加入导电石墨和没加导电石墨的PDMS复合膜相比，加入导电石墨以后输出电流明显增加。

从图6可以看出，当导电石墨添加量在0.03_g到0.2_g时，换算成质量百分比为0.9％-6％，输出电流和电压增加较明显。

由于导电石墨粉颗粒均匀的分布在PDMS中，它们可以简单地等效成一个厚度为r的导电层，那么此时电容量减少为由于有很多的导电石墨粉颗粒，所以导电层可以等效成r₁，r₂，r₃......,因此总的导电层为δ＝r₁+r₂+…。PDMSGPs复合膜制作成的纳米发电机的等效电容量为(图4)。电容量直接决定聚合物表面的电荷密度，掺入不同导电石墨粉颗粒后，有效介电层的减少量，电容量变化，相对介电常数的变化及其电荷量的变化如下表：

同时复合膜发电机的最大功率在掺入量为wt％＝3.0％时取得(图5),功率密度可以达到1.48mW(3.7W/m²)。

有益效果：本发明的电容式发电机大大提高了发电机能量转换效率，输出电流、输出电压、和输出功率均得到很大的提高。该方法工艺简单、成本低廉、高效、环保，适合大规模生产。对电容式发电机的结构设计和优化有重要的指导意义。

附图说明

图1为本发明的电容式发电机的结构示意图；

图2为PDMS复合膜与纯PDMS制成的电容式发电机在相同测试条件下的电流输出对比图；

图3为掺入不同量的导电石墨粉颗粒的PDMS复合膜电容式发电机在相同测试条件下的电流和电压输出对比图；

图4为掺入导电石墨粉颗粒导致PDMS复合膜发电机有机介电层的有效介电层厚度减少并使发电机的电容量增大的原理图；

图5为用复合膜制备的性能最佳的电容式发电机的电流，电压，功率随外界电阻的变化图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

实施例1

按照如下步骤制备：

(1)、将PDMS3g和固化剂0.3g混合配成A组分，将导电微纳米颗粒，导电石墨粉颗粒0g、0.005g、0.01g、0.03g、0.05g、0.08g、0.1g、0.15_g、0.2g、0.3g、1.0g分别溶解在无水乙醇中得到不同的B组分，然后将不同的B组分加入到A组分中，充分搅拌，直至导电微纳米颗粒与PDMS混合均匀为止，得到C组分；

(2)、将步骤(1)中得到的C组分转移到圆柱形培养皿中，然后用玻璃棒将其分散开来，3-5min后C组分会均匀分散成PDMS复合膜，再将玻璃板置于55℃-80℃的真空干燥箱中干燥固化处理2-4h，最终得到固定厚度的PDMS复合膜，将该PDMS复合膜剪成固定型号的矩形小块备用。

(3)、将步骤(2)中制得的PDMS复合膜置于下电极上表面，所述PDMS复合膜与上电极之间有间隙，上下电极均为铝膜电极，将上下的铝膜电极贴在硬纸片基底上得到纳米发电机。如图1所示。

我们将制成的电容式发电机进行电学性能输出表征，首先图2表示PDMS复合膜与纯PDMS制成的电容式发电机在相同测试条件下的电流输出对比图，从图2中我们可以看出，添加了导电石墨粉的输出电流明显大于没有添加导电石墨粉的纯的PDMS膜的输出电流。

图3为掺入不同量的导电石墨粉颗粒的PDMS复合膜电容式发电机在相同测试条件下的电流和电压输出对比图，从图3中可以看出，当导电石墨粉为0.03_g-0.2g时，输出电流增加较明显，当导电石墨粉为0.1g(3％)时达到最大值，随后开始下降。输出电压也有同样的趋势。

图4为掺入导电石墨粉颗粒导致PDMS复合膜发电机有机介电层的有效介电层厚度减少并使发电机的电容量增大的原理图。

图5为用复合膜制备的性能最佳的电容式发电机的电流，电压，功率随外界电阻的变化图。从图5中可以看出，复合膜发电机的最大功率在掺入量为wt％＝3.0％(0.1g)时取得,功率密度可以达到1.48mW(3.7W/m²)。

实施例2

其他与实施例1相同，不同的是步骤(2)为：

将步骤(1)中得到的C组分转移到用Scotch隐形胶带在玻璃板上粘成的腔体中，然后再用载玻片朝一个方向刮成一定厚度的膜，再将玻璃板置于55℃-80℃的真空干燥箱中干燥固化处理2-4h，最终得到固定厚度的PDMS复合膜。

实施例3

与实施例1相同，不同的是：

将氧化锌团聚球颗粒或纳米棒均匀溶解在无水乙醇中，氧化锌团聚球颗粒或纳米棒的质量小于PDMS和导电微纳米颗粒以及固化剂总量的10％。得到D组分，然后将D组分加入到C组分中，再用玻璃棒充分搅拌10-20min，直至混合均匀为止，得到E组分，然后将E组分转移到用隐形胶带在玻璃板上粘成的腔体中，再用载玻片朝一个方向刮成一定厚度的膜，再将玻璃板置于55℃-80℃的真空干燥箱中干燥固化处理2-4h，再将复合膜放置在盐酸溶液中刻蚀5-8h，最终得到多孔海绵状的PDMS复合膜。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。如：将上下电极更换为镀铜PET或镀ITO的PET或镀金Kapton等，因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种能提高能量转换效率的电容式发电机，包括上下电极，其特征在于：在下电极上表面设置一层PDMS复合膜，所述PDMS复合膜与上电极之间有间隙，该PDMS复合膜中添加有导电微纳米颗粒。

2.根据权利要求1所述能提高能量转换效率的电容式发电机，其特征在于：所述导电微纳米颗粒为导电石墨粉颗粒。

3.一种能提高能量转换效率的电容式发电机的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)、将PDMS和固化剂混合配成A组分，将导电微纳米颗粒溶解在无水乙醇中得到B组分，然后将B组分加入到A组分中，充分搅拌，直至导电微纳米颗粒与PDMS混合均匀为止，得到C组分；

(2)、将步骤(1)中得到的C组分制成PDMS复合膜；

(3)、将步骤(2)中制得的PDMS复合膜置于下电极上表面，所述PDMS复合膜与上电极之间有间隙，得到纳米发电机。

4.根据权利要求3所述能提高能量转换效率的电容式发电机的制备方法，其特征在于：所述导电微纳米颗粒为导电石墨粉。

5.根据权利要求4所述能提高能量转换效率的电容式发电机的制备方法，其特征在于：所述导电石墨粉的质量为导电石墨粉、PDMS和固化剂总量的0.9％-6％。

6.根据权利要求5所述能提高能量转换效率的电容式发电机的制备方法，其特征在于：所述导电石墨粉的质量为导电石墨粉、PDMS和固化剂总量的3％。

7.根据权利要求5所述能提高能量转换效率的电容式发电机的制备方法，其特征在于：所述PDMS和固化剂的质量比为10:1。

8.根据权利要求6所述能提高能量转换效率的电容式发电机的制备方法，其特征在于：步骤(2)的具体操作为：

将步骤(1)中得到的C组分转移到平底的器皿中，然后将其分散开来，3-5min后C组分会均匀分散成PDMS复合膜；再将器皿置于55℃-80℃的干燥箱中干燥固化处理2-4h，最终得到固定厚度的PDMS复合膜；

或将步骤(1)中得到的C组分转移到用胶带在玻璃板上粘成的腔体中，然后再用载玻片朝一个方向刮成一定厚度的膜，再将玻璃板置于55℃-80℃的干燥箱中干燥固化处理2-4h，最终得到固定厚度的PDMS复合膜。

9.根据权利要求6所述能提高能量转换效率的电容式发电机的制备方法，其特征在于：步骤(2)具体操作为：

将氧化锌团聚球颗粒或纳米棒均匀溶解在无水乙醇中，得到D组分，然后将D组分加入到C组分中，再用玻璃棒充分搅拌10-20min，直至混合均匀为止，得到E组分，然后将E组分转移到用胶带在玻璃板上粘成的腔体中，再用载玻片朝一个方向刮成一定厚度的膜，再将玻璃板置于55℃-80℃的真空干燥箱中干燥固化处理2-4h，再将复合膜放置在盐酸溶液中刻蚀5-8h，最终得到多孔海绵状的PDMS复合膜。

10.根据权利要求9所述能提高能量转换效率的电容式发电机的制备方法，，其特征在于：氧化锌团聚球颗粒或纳米棒的质量小于PDMS、导电微纳米颗粒和固化剂总量的10％。