CN104682766A - 基于独立摩擦层的纳米发电机、发电机组和发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于独立摩擦层的纳米发电机、发电机组和发电方法。该发电机包括两个分离的电极层，和一个交替与这两个电极层接触的第一部件。在外界机械能的作用下，该第一部件上所带的摩擦静电，将随其运动交替地接触两个电极层，进而交替地改变两个电极层间的感应电势差，驱动电子在电极层间连接的外电路来回流动，而形成交流电。该纳米发电机最大的优点是，运动的第一部件不需要附着电极并用导线接入系统，从而使得任何自由移动的物体上的机械能都可以不受限制地被收集利用，从而极大地拓宽了摩擦纳米发电机的应用范围。这种基于独立摩擦层的纳米发电机可以用于收集人体活动（如走路），交通工具等所产生的机械能。

Description

基于独立摩擦层的纳米发电机、发电机组和发电方法

技术领域

本发明涉及一种能够环境中机械能转化为电能的发电器件，特别是一种基于独立摩擦层的纳米发电机、发电机组以及相关的发电方法。

背景技术

在微电子和材料技术高速发展的今日，大量新型具有多种功能和高度集成化的微型电子器件不断被开发出来，并在人们日常生活的各个领域展现出前所未有的应用前景。然而，和这些微型电子器件所匹配的电源系统的研究却相对滞后，一般说来，这些微型电子器件的电源都是直接或者间接来自于电池。电池不仅体积较大、质量较重，而且含有的有毒化学物质对环境和人体存在潜在的危害。因此，开发出能将运动、振动等自然存在的机械能转化为电能的技术具有极其重要的意义。

从2012年开始，基于摩擦静电效应的纳米发电机得以快速发展，并以其高效的输出、简单的工艺、稳定的性能，为机械能转变为电能来驱动电子器件提供了一种十分具有前景的途径。但是，基于现有的摩擦电纳米发电机的基本模式与器件设计，两个相互运动的摩擦层均附着有电极，并通过导线接入系统，也就是说发电机结构中在外部机械能作用下运动的部件必须有导线连出。这一特点很大程度地限制了摩擦电纳米发电机的应用，使其无法有效收集环境中任意的自由运动物体的机械能。因此，如果能够设计一种运动的摩擦层不需要连接电极的摩擦发电机，将对摩擦发电机的广泛应用具有重要的意义。

发明内容

要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是设计一种新型摩擦电纳米发电机，其中在外部机械能作用下的摩擦层部件不需要连接电极，可以用任何能够产生摩擦静电或已带有摩擦静电的物体来充当。

技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于独立摩擦层的纳米发电机。该发电机设计包括两个分隔设置的电极层，和一个与两个电极层交替接触的摩擦层，该摩擦层不需要另外附着电极层和连接导线，可以自由移动。在工作时，该独立的摩擦层相对于两个电极层发生位移，并交替与两个电极层接触，在此过程中，摩擦层表面所带有的摩擦净电荷将随其一起移动，而使得电极层间的感应电势差发生周期性变化，驱动电极层间连接的外电路上产生交流电流。这种发电机结构能够比较方便的调整输出电压，例如将两个电极层置于同一平面上，使二者之间的等效电容量很小，该发电机可以产生很高的电压输出（超过1万伏）。此外，独立的摩擦层每一次从一个电极表面转移到另一个电极表面的过程，可以带动与摩擦层上静电荷等量的电荷转移。因此，这种结构是一种十分高效的将机械能转化为电能的设计。

这种基于独立摩擦层的纳米发电机，可以直接让摩擦层在两个电极层的表面滑动，通过其间的相互摩擦产生的静电荷作为滑动感应源。除此之外，也可以在两个电极层表面再铺设一层隔离层，摩擦层与该隔离层间通过摩擦来产生静电。这两种结构的本质是一样的。

由于摩擦静电普遍存在于自然环境和人类生活环境中任何绝缘体的表面，因此利用这种发电机原理和结构，可以直接将运动物体自身的绝缘体表面作为“独立的摩擦层”，极为简便和普适地收集自由运动物体上的机械能。在此基础上，为了增大输出，还可以给运动体表面上覆盖一层易于产生高摩擦电荷密度的材料，如聚四氟乙烯等。

基于上述思路，本发明首先提供一种独立摩擦层的纳米发电机，包括第一部件、第二部件和电信号输出端，其中所述第二部件由一个第一电极层和与之配合的一个第二电极层组成，所述第一电极层和第二电极层分隔设置并且分别与所述电信号输出端的两端电连接，所述第一部件的下表面交替与所述第一电极层和第二电极层接触，使所述第一电极层和第二电极层通过电信号输出端向外输出电信号，所述第一部件的下表面与所述第一电极层和第二电极层的材料具有不同的摩擦电性质；

优选地，所述第一部件在初次与所述电极层接触前为电中性或带电体；

优选地，所述第一部件不能同时覆盖所述第一电极层和第二电极层；

优选地，所述第一部件的形状和尺寸与所述第一电极层和/或第二电极层的尺寸和形状相同；

优选地，所述第一部件为绝缘体或半导体；

优选地，所述第一部件10的下表面和/或第二部件20的上表面全部或部分设置有微米或次微米量级的微结构阵列；

优选地，所述第一电极层和第二电极层的尺寸和形状相同或不同；

优选地，所述第一电极层和第二电极层之间的分隔距离为0.1mm-5cm；

优选地，所述第一电极层和第二电极层处于同一个平面上；

优选地，所述第一电极层和第二电极层之间的空隙中填有填充介质；

优选地，所述填充介质选自聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯聚氯醚、聚偏二氯乙烯和聚（2,6-二甲基聚亚苯基氧化物）、不导电的液体、不导电的气体或真空；

优选地，还包括隔离层，所述第一电极层和第二电极层的上表面完全贴合在所述隔离层的背面，第一部件的下表面交替与背面贴合有所述第一电极层的隔离层的部分上表面、以及背面贴合有第二电极层的隔离层的部分上表面接触，并且所述第一部件的下表面与隔离层材料具有不同的摩擦电性质；

优选地，所述隔离层为绝缘材料；

优选地，所述第一部件为绝缘体、半导体或导体；

优选地，所述隔离层为分立结构或一体结构。

本发明还提供一种基于上述独立摩擦层纳米发电机的发电机组，包括：由2个以上前述任一款纳米发电机并联或串联形成；

优选地，至少部分纳米发电机共用1个第一部件；

优选地，所有所述纳米发电机共用1个第一部件；

优选地，各所述纳米发电机中的第二部件相同或不同；

优选地，每个纳米发电机均与一个独立的电信号输出端电连接，或者至少2个纳米发电机共用一个电信号输出端；

优选地，至少部分纳米发电机的第一电极层连接形成互相导通的第一导电网络，同时与之配合的第二电极层连接形成互相导通的第二导电网络，并且两个导电网络相互隔离；

优选地，所述第一导电网络和第二导电网络的形状相同或互补；

优选地，所述第一导电网络和第二导电网络均为规整的周期性结构，每个周期性重复单元的尺寸和形状相同；

优选地，所述重复单元的尺寸和形状与所述第一部件的形状和尺寸相同；

优选地，相邻两个第一部件同时与一个导电网络的不同重复单元接触；

优选地，所述第一部件与第二部件的数目相同。

本发明还提供一种发电方法，包括如下步骤：

1）提供分隔放置的第一电极层和第二电极层，并将两个电极层分别与电信号输出端的两端电连接；

2）使独立的第一部件交替与第一电极层和第二电极层接触；

3）通过电信号输出端向外输出电信号；

优选地，步骤2）的交替接触通过第一部件在两个电极层之间来回滑动实现，或者通过改变第一部件分别与两个电极层之间的垂直间距所造成的接触和分离实现；

优选地，步骤2）中的第一部件是电中性的物体或者是预先带电的物体。

有益效果

本发明提供的基于独立摩擦层的纳米发电机最突出的优点是运动部件不需要连接电极和导线，这使得几乎任何自由运动的物体都可以作为机械能输入，来将其上的静电从一个电极表面带向另一个电极表面。这极大地提高了机械能收集的简便性、通用性。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过附图所示，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。并未刻意按照实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于显示出本发明的主旨。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图1是本发明基于独立摩擦层的纳米发电机的一种典型结构示意图；

图2中<i>-<iv>是图1所示纳米发电机的工作原理示意图；

图3中A和B是图1所示纳米发电机的电信号输出谱图：A是电压和电流密度图；B是功率密度图；

图4是在两个电极层的间隙填有填充介质的结构示意图；

图5中<i>-<vi>是本发明基于独立摩擦层的纳米发电机的另一种工作模式示意图；

图6是图5所示工作模式的电荷输出原理示意图；

图7是本发明基于独立摩擦层的纳米发电机的另一种典型结构示意图；

图8中<i>-<iv>是图7所示纳米发电机的工作原理示意图；

图9是本发明基于独立摩擦层的纳米发电机的另一种典型结构示意图；

图10是图9所示纳米发电机工作过程中的电荷分布示意图；

图11中A和B是图10所示纳米发电机的电信号输出谱图：A是开路电压图，B是短路电流密度图；

图12中（a）和（b）是本发明基于独立摩擦层的纳米发电机组的典型结构示意图；

图13是本发明基于独立摩擦层的纳米发电机组的另一种典型结构示意图；

图14是本发明基于独立摩擦层的纳米发电机组的另一种典型结构示意图；

图15是本发明的纳米发电机组用于收集人走路机械能的照片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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，都属于本发明保护的范围。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。

第一种典型实施方式

图1为本发明独立摩擦层纳米发电机的一种典型结构，包括第一部件10、第二部件20和电信号输出端30，其中第二部件20由一个第一电极层201和与之配合的一个第二电极层202组成，第一电极层201和第二电极层202分隔设置并且分别与电信号输出端30的两端电连接，第一部件10的下表面交替与第一电极层201和第二电极层202发生滑动摩擦，使第一电极层201和第二电极层202通过电信号输出端30向外输出电信号，第一部件10的下表面与第一电极层和第二电极层的材料具有不同的摩擦电性质。

本发明中涉及的材料摩擦电性质是指一种材料在与其他材料发生摩擦或接触的过程中显示出来的得失电子能力，即两种不同的材料相接触或摩擦时一个带正电，一个带负电，说明这两种材料的得电子能力不同，亦即二者的摩擦电性质不同。例如，聚合物尼龙与铝箔接触的时候，其表面带正电，即失电子能力较强，聚合物聚四氟乙烯与铝箔接触的时候，其表面带负电，即得电子能力较强。

该发电机在工作时，第一部件10在与两个电极层重合的位置之间来回移动，其下表面分别与两个电极层发生滑动摩擦，导致第一部件10的下表面和两个电极层的表面带上电性相反的电荷。当第一部件10从一个电极层向另一个电极层滑动时，它表面所带的电荷将随着第一部件10一起移动，从而吸引电极层上的异号电荷通过外接回路在两个电极层之间发生转移，导致在外电路产生电流（参见图2中<i>-<iv>）。

第一部件10为本发明纳米发电机提供一个摩擦表面，其材料选择主要考虑与其配合使用的另一个摩擦面材料的摩擦电性质。在本实施例中，与第一部件10配合使用的摩擦面是两个导电的电极层，因此该第一部件10的下表面材料应选自与导体有较大摩擦电性质差异的绝缘体和半导体，使得二者在发生摩擦的过程中容易产生表面接触电荷。其中，绝缘体可选自一些常用的有机聚合物材料和天然材料，包括：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、再生纤维素海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、人造纤维、棉及其织物、木头、硬橡胶、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性体、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、醋酸酯、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、聚氯乙烯和派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4。

常用的半导体包括硅、锗；第Ⅲ和第Ⅴ族化合物，例如砷化镓、磷化镓等；第Ⅱ和第Ⅵ族化合物，例如硫化镉、硫化锌等；以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体，例如镓铝砷、镓砷磷等。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物也具有摩擦电特性，能够在摩擦过程形成表面电荷，因此也可以用来作为本发明的摩擦层，例如锰、铬、铁、铜的氧化物，还包括氧化硅、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、BiO₂和Y₂O₃。限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出一些具体的材料供人们参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，因为在发明的启示下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。

通过实验发现，当第一部件10和第二部件20相互接触的表面材料之间的摩擦电性质相差越大时，发电机输出的电信号越强。所以，可以根据实际需要，选择合适的材料来制备第一部件10和第二部件20的接触表面，以获得更好的输出效果。具有负极性摩擦电性质的材料优选聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯和派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4；具有正极性摩擦电性质的材料优选苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇和聚酯。

还可以对第一部件10下表面和/或第二部件20上表面进行物理或化学改性，使其表面分布有微米或次微米量级的微结构阵列，以增加第一部件10与第二部件20之间的接触面积，从而增大接触电荷量。具体的改性方法包括光刻蚀、化学刻蚀和离子体刻蚀等。也可以通过纳米材料的点缀或涂层的方式来实现该目的。也可以对相互接触的第一部件10和/或第二部件20的表面进行化学改性，能够进一步提高电荷在接触瞬间的转移量，从而提高接触电荷密度和发电机的输出功率。化学改性又分为如下两种类型：

一种方法是对于相互接触的第一部件10和第二部件20材料，在极性为正的材料表面引入更易失电子的官能团（即强给电子团），或者在极性为负的材料表面引入更易得电子的官能团（强吸电子团），都能够进一步提高电荷在相互滑动时的转移量，从而提高摩擦电荷密度和发电机的输出功率。强给电子团包括：氨基、羟基、烷氧基等；强吸电子团包括：酰基、羧基、硝基、磺酸基等。官能团的引入可以采用等离子体表面改性等常规方法。例如可以使氧气和氮气的混合气在一定功率下产生等离子体，从而在摩擦层材料表面引入氨基。

另外一种方法是在极性为正的摩擦层材料表面引入正电荷，而在极性为负的摩擦层材料表面引入负电荷。具体可以通过化学键合的方式实现。例如，可以在PDMS摩擦层表面利用溶胶-凝胶（英文简写为sol-gel）的方法修饰上正硅酸乙酯（英文简写为TEOS），而使其带负电。也可以在金属金薄膜层上利用金-硫的键结修饰上表面含十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）的金纳米粒子,由于十六烷基三甲基溴化铵为阳离子，故会使整个摩擦层变成带正电性。本领域的技术人员可以根据摩擦层材料的得失电子性质和表面化学键的种类，选择合适的修饰材料与其键合，以达到本发明的目的，因此这样的变形都在本发明的保护范围之内。

为了满足与第二部件20中的第一电极层201和第二电极层202交替接触的要求，第一部件10的形状和尺寸应该不足以同时覆盖这两个电极层，除此之外，对其形状和尺寸没有特殊要求。为了达到更好的电信号输出效果，优选第一部件10的形状和尺寸与第一电极层201和/或第二电极层202的形状和尺寸相同，以使得第一部件10能够与第一电极层201和/或第二电极层202在接触时能够达到完全重合，有效摩擦面积最大。

与现有技术中的摩擦发电机不同，由于第一部件10的背面无需沉积金属电极，因此对其厚度没有特殊要求，可以是体材料也可以是薄膜材料，这使本发明发电机的应用范围得到了极大拓展。

本实施例中的第二部件20由2个导电层组成，同时作为电极和摩擦层使用。常用的导体材料均可用于制备第二部件20，例如金属和导电的非金属材料等，其中金属可选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；导电的非金属材料可选自氧化铟锡ITO和掺杂的半导体。

第二部件20中的2个电极层尺寸和形状可以相同，也可以不同，为了提高滑动摩擦发电的效率，优选第一电极层201与第一部件10相互接触的摩擦表面，和第二电极层202与第一部件10相互接触的摩擦表面形状和尺寸相同；更优选两个电极层面向第一部件10的表面形状和尺寸与第一部件10下表面的形状和尺寸相同。

第一电极层201和第二电极层202为分隔设置，即二者之间需要留有一定的空隙，该空隙的存在是电子能够通过电信号输出端30在两个电极层之间流动的关键。理论研究和实验对比显示，电极层之间的间距越小，越有利于提高输出的电流密度和功率密度。因此，应该优先选用较小的电极层间距。一个电极间距为1毫米的典型器件，可以产生大约14千伏的开路电压和3.25毫安每平方米的短路电流密度，以及最大为6.5瓦每平方米的功率密度（图3中A和B）。但是考虑到放电的因素，该间距又不能过小。本发明认为该间距优选为0.1mm-5cm，更优选0.1cm-3cm，尤其是0.1cm-1cm。分隔的电极层可以通过选择性镀膜技术在支撑基底上制备，也可以用导电的薄层或薄片直接切割而成。

第一电极层201和第二电极层202的相对位置并没有特殊限定，二者既可以位于同一个平面上，也可以位于不同的平面上，二者可以相互平行，也可以形成一定角度。优选第一电极层201和第二电极层202位于同一个平面上，以减小二者之间的等效电容量，提高发电机的输出电压。

为了在提高电信号输出密度的同时，防止电极层之间的放电，还可以在两个电极层的空隙之间填有填充介质50（参见图4）。该填充介质50既可以仅填充于两个电极层之间的空隙中，也可以如图4所示在两个电极层的周围也设置一圈，用于作为电极层的支撑结构或保护结构。该填充介质50可选自具有中性摩擦电特性的材料，例如聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯聚氯醚、聚偏二氯乙烯和聚（2,6-二甲基聚亚苯基氧化物）。显然，如果发电机在使用的过程中需要液体、气体或真空环境，上述填充介质50也可以是不导电的液体或气体，在必要的情况下也可以是真空。在这些情况下，第一部件10在与填充介质50接触的过程中可以有效的避免电荷转移。填充介质50的填充高度既可以与第一摩擦层201和第二摩擦层202的厚度相同，也可以稍低于二者的厚度。

第一部件10和第二部件20既可以是硬质材料，也可以是柔性材料，材料的硬度对二者的发电性能没有明显影响，但是却可以扩展本发明发电机的应用范围。

第一部件10与第一电极层201和第二电极层202之间的交替接触既可以通过滑动实现（参见图1和图2中<i>-<iv>），也可以通过垂直间距变化的接触分离动作实现（参见图5中<i>-<vi>）。其中，图5中<i>-<vi>所示工作方式的发电原理参见图6：当第一部件10与第一电极层201接触后，由于二者摩擦电性质的不同，导致在接触表面发生电荷转移，以第一部件10上形成负的表面接触电荷，第一电极层201上形成正的表面接触电荷为例；当第一部件10与第一电极层201分开后，第一部件10上表面接触电荷对第一电极层201上正电荷的吸引力减弱，同时对第二电极层202上电荷的影响也发生变化，导致电子在第一电极层201和第二电极层202之间重新分配，在外电路有电流产生，该电流在第一部件10移动到第二电极层202上的过程中一直存在，直到第一部件10与第二电极层202完全接触，第一电极层201上的正电荷全部转移到第二电极层202上，电场再次达到平衡，外电路没有电流通过；而当第一部件10在与第二电极层202分开向第一电极层201移动的过程中，电荷也会随着第一部件10的离开而在两个电极层之间发生重新分配，导致外电路上有反向的电流产生。如此往复，只要第一部件10与两个电极层交替接触，就会向外电路输出交流脉冲电信号。

电信号输出端30的两端分别与第一电极层201和第二电极层202电连接，用于平衡两个电极层之间的电势差，并在此过程中将电信号向外输出。在实际应用过程中，该电信号输出端30可以与电流表、电压表或者其他电信号检测装置或收集装置直接连接，也可以通过整流装置将电信号整合后再向外输出。

第二种典型实施方式

图7为本发明独立摩擦层纳米发电机的另一种典型结构，其包括第一部件10、第二部件20和电信号输出端30；其中，第一部件10在与第二部件初次接触前为带电体，第二部件20由一个第一电极层201和与之配合的一个第二电极层202组成，第一电极层201和第二电极层202分隔设置并且分别与电信号输出端30的两端电连接，第一部件10的下表面交替与第一电极层201和第二电极层202接触，使第一电极层201和第二电极层202通过电信号输出端30向外输出电信号，第一部件10的下表面与第一电极层和第二电极层的材料具有不同的摩擦电性质。

该实施方式与图1所示的实施方式结构基本相同，唯一的区别在于第一部件10在与第二部件初次接触前为带电体，但是这并不影响对第一部件10、第二部件20以及电信号输出端30的材料选择和尺寸控制，因此前面对图1所述实施方式的结构、材料和尺寸的说明和限定均适用于本实施方式，在此不再赘述。需要说明的是，当第一部件10预先带电后，造成了纳米发电机的工作原理发生了变化，具体如图8中<i>-<iv>所示：以第一部件10预先带有饱和的负电荷为例，当第一部件10第一电极层201表面完全接触后，由于静电感应作用将使得两个电极层内部的电荷重新分配，第一电极层201上将带有正电荷而第二电极层202上将带有负电荷，从而实现第一部件10与第一电极层201和第二电极层202之间的电荷平衡，在此过程中电子将从第一电极层201通过外电路转移到第二电极层202上，从而在外电路中有电流产生。当第一部件10继续从第一电极层201向第二电极层202滑动的过程中，由于第一部件10上持有的电荷电量不变，为了使电场保持平衡，第一部件10的滑动将带动电子从第二电极层202向第一电极层201流动，由此在外电路产生反向的电流。当第一部件10与第二电极层202完全重合后，电场平衡、电流消失。与此类似，第一部件10再在第一电极层201和第二电极层202之间往复运动并与第一电极层201和第二电极层202发生交替接触的过程中，电信号输出端30会向外电路输出方向交替变化的交流脉冲电信号，从而实现由机械能到电能的转化。

第三种典型实施方式

图9为本发明独立摩擦层纳米发电机的另一种典型结构，其包括第一部件10、第二部件20、电信号输出端30和隔离层40；其中，第二部件20由一个第一电极层201和与之配合的一个第二电极层202组成，第一电极层201和第二电极层202分隔设置并且分别与电信号输出端30的两端电连接，第一电极层201和第二电极层202的上表面完全贴合在隔离层40的背面，第一部件10的下表面交替与背面贴合有第一电极层201的隔离层40的部分上表面、以及背面贴合有第二电极层202的隔离层40的部分上表面接触，使第一电极层201和第二电极层202通过电信号输出端30向外输出电信号，第一部件10的下表面与隔离层40的材料具有不同的摩擦电性质。

隔离层40应为非导体材料，优选绝缘材料，可从图1所示的实施方式中第一部件10的可选材料中进行选择，为了提高电信号输出性能，优选使用摩擦电特性与第一部件10相差较大的材料。

在本实施方式中，由于有不导电的隔离层40的存在，使得第一部件10的材料可选择范围有所拓展，导体也成为一种备选材料，包括金属、导电的非金属材料，其中金属可选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；导电的非金属材料可选自氧化铟锡ITO和掺杂的半导体以及有机物导体。

隔离层40可以为分立结构，例如由2个分离的部分组成，其中一个部分覆盖于第一电极层201的表面，另一个部分覆盖于第二电极层202的表面；也可以为一体结构，例如图9所示的情况，隔离层40为一个整体，同时覆盖于两个电极层的上表面。

隔离层40的表面尺寸和形状应至少完全覆盖第一电极层201和第二电极层202，对其厚度没有特殊限定，优选50μm至0.5mm，以利于发电机的输出。

在该发电机工作时，第一部件10在隔离层40表面来回滑动，或者在背面分别贴合有第一电极层201和第二电极层202的隔离层40表面不同部分之间交替接触和分离。在这个过程中，第一部件10和隔离层40相互接触的表面带上反号的电荷。这些电荷都将保持在二者的表面，在一定时间内几乎不会发生流动或者衰减。由于隔离层40始终相对于两个电极层保持静止，因此它表面所带的静电荷在两个电极层间产生的感应电势差始终保持不变，不会给电流的产生提供驱动力（参见图10）。因此，与图1所示的结构类似，第一部件10上的静电将随其滑动一起移动，并且在交替靠近两个电极层时，反复改变两个电极层间的感应电势差，从而吸引电极回路中所带的异号电荷在两个电极层之间移动，在外电路产生电流。

对于两个电极层之间的间距，与图1所示的实施方式类似，间距越小，越有利于提高输出的电流密度和功率密度。一个间距为1毫米的此结构的典型器件，可以产生大约12千伏的开路电压和3毫安每平方米的短路电流密度（图11中A和B）。

对于这种结构，第一部件10也可以是预先带电的，这种情况下，隔离层40更多的起到一个保护层的作用，或者是在第一部件10所带电荷不饱和的情况下，通过与隔离层40的摩擦使之带上更多的电荷，从而提高发电机的输出性能。

第四种典型实施方式

图12中（a）为基于独立摩擦层纳米发电机而设计的一种典型的发电机组，包括1个第一部件10、2个以上第二部件20和至少一个电信号输出端30，其中每个第二部件20由一个第一电极层201和与之配合的一个第二电极层202组成，第一电极层201和第二电极层202分隔设置，所有第一电极层201均与电信号输出端30的一端电连接，所有第二电极层202均与电信号输出端30的另一端电连接，第一部件10的下表面交替与第一电极层201和第二电极层202接触，并通过电信号输出端30向外输出电信号，第一部件10的下表面与第一电极层201和第二电极层202的材料具有不同的摩擦电性质。

对于第一部件10和第二部件20的材料及尺寸，可以参照前面3种典型独立摩擦层纳米发电机进行选择，同时也可以包括隔离层40和/或填充介质50，在此不再赘述。需要说明的是，多个第二部件20可以相同也可以不同。对于多组第二部件20并联的情况，优选多个第二部件20相同；而对于每个第二部件20均与一个独立的电信号输出端30电连接的情况（参见图12中（b）），则可以根据需要使用不同材料或尺寸的第二部件20，使得第一部件10与某些第二部件20接触时，能够产生不同的电信号，以满足对于某些特殊位置的传感需要。

在实际应用中，为了实现大规模的收集能量，可以增加第二部件20的数目，并且将图12中（a）的电信号输出端30产生的电流进行整流，就可以将产生的电流进行存储备用。

多个第二部件20的相对位置可以根据实际需要进行设计，一般与第一部件10的运动轨迹相匹配，既可以所有第二部件20都位于同一平面上，也可以位于不同平面上，还可以位于相同或不同的曲面上。

第一部件10既可以是电中性的物体，也可以预先带电。如果预先带电，则该发电机组的工作原理与图8中<i>-<iv>所示的相同。如果第一部件10为电中性的物体，则当第一部件10初次与一个第二部件20发生接触和分离的过程如图2中<i>-<iv>或图6所示，此后由于第一部件10为非导电材料，其上带有的表面接触电荷能够长时间的持有，因此再与其他第二部件20进行接触和分离的动作时，发电机的工作原理就呈现图8中<i>-<iv>所示的情况。

第五种典型实施方式

图13为基于独立摩擦层纳米发电机而设计的另一种典型的发电机组，包括2个以上的第一部件10、2个以上的第二部件20和至少一个电信号输出端30，其中每个第二部件20由一个第一电极层201和与之配合的一个第二电极层202组成，第一电极层201和第二电极层202分隔设置，所有第一电极层201均与电信号输出端30的一端电连接，所有第二电极层202均与电信号输出端30的另一端电连接，第一部件10的下表面交替与第一电极层201和第二电极层202接触，并通过电信号输出端30向外输出电信号，第一部件10的下表面与第一电极层201和第二电极层202的材料具有不同的摩擦电性质。

本实施方式中，3组第二部件20中的第一电极层201形成互相导通的第一导电网络，同时与之配合的所有第二电极层202形成互相导通的第二导电网络，两个导电网络的形状互补，并且通过填充介质50隔离，电信号输出端30的两端分别与两个导电网络电连接，用于将产生的电信号向外输送。为了提高发电效率，优选第一导电网络和第二导电网络均为规整的周期性结构，并且每个周期性重复单元的尺寸和形状相同，更优选该重复单元的尺寸和形状与第一部件10的形状和尺寸相同。

由于图13所示的实施方式中，所有的第一电极层201都电连接、所有的第二电极层202都电连接，因此，为了保证发电机组中各发电机单元的同步工作，优选相邻两个第一部件10之间的间距应保证二者同时与同一个导电网络的不同重复单元接触，更优选第一部件10与第二部件20的数目相同。

当然，所有的第二部件20也可以独立输出电信号，参见图14。此时，每个第一部件10都可以与一个第二部件20构成一个单独的发电机单元，因此第一部件10与第二部件20的数目可以相同，也可以不同。即与图14中的3组第二部件20进行配合使用的，既可以是如图14中（1）所示的3个第一部件10，并且能够保证3个第一部件10都同时与第一电极层201或第二电极层202接触；也可以是如图14中（2）所示的2个第一部件10，并且当其中一个第一部件10与第一摩擦层201接触时，另一个第一部件10则与第二摩擦层202接触。图中标号70的部件为用于固定第一部件10的轴。

在实际应用时，可以将上述2种方法综合起来使用，即部分纳米发电机的第二部件连通构成第一导电网络和第二导电网络，而另一部分纳米发电机的第二部件是分立的，各纳米发电机之间通过并联或串联的方式连接，以满足不同需要。

本发明还提供一种发电方法，该方法可通过上述任意一款发电机和发电机组来实现，具体包括如下步骤：

1）提供分隔放置的第一电极层201和第二电极层202，并将两个电极层分别与电信号输出端30的两端电连接；

2）使独立的第一部件10交替与第一电极层201和第二电极层202接触；

3）通过电信号输出端30向外输出电信号。

其中，步骤2）的交替接触可以通过第一部件10在两个电极层之间来回滑动实现，也可以通过改变第一部件10分别与两个电极层之间的垂直间距所造成的接触和分离实现；

步骤2）中的第一部件10可以是电中性的物体，也可以预先带电；既可以是表面设置有纳米结构的部件，也可以是未经特殊加工的普通生活用品。

由于自然界和人类生活中存在的很多运动都能够形成摩擦，因此本发明提供的发电方法和基于独立摩擦层的纳米发电机及发电机组可以用于收集很多生活环境中的机械能，如人的走路、车辆的行进等。在这些运动的过程中，人的鞋底或者车的轮胎，都要反复与路面接触，并沿路面方向移动。因此，在此过程中能够产生静电，便可用来作为上述发电机结构中第一部件10所带有的静电，来产生电流。为了实现这一目的，可以在路面上沿着人行走或者车行进的方向，每隔一定间距铺设一块导电箔层作为一个电极，两个相邻电极之间通过外部负载连接。当人的鞋底或车的轮胎从一个电极进入另一个电极的过程中，就将吸引电极上的电荷通过外电路转移而形成电流，我们已经通过实验对该方法进行了验证，图15为人走路时鞋底交替与两个电极层接触和分离，该过程能够发电并点亮100盏LED灯。为了能够将大规模的收集能量，可以将路面很长的距离都铺上这种金属箔层，每隔一个金属箔层相连在一起，形成两组公共电极。通过将公共电极之间产生的电流进行整流，就可以将产生的电流储存在电池中。

由于这种发电模式可以基于两种绝缘体之间的摩擦，如图9所示的实施方式，因此可以将铺设有这些电极组的路面上再铺设一层完整的绝缘体薄膜，将这些电极覆盖于其下，而不用直接暴露于路面上，形成保护作用。

为了达到较好的能量转化效率，可以在人的鞋底或者车的轮胎外部覆盖上具有较强摩擦电极序的材料，例如聚四氟乙烯等。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (29)

1.一种独立摩擦层的纳米发电机，包括第一部件、第二部件和电信号输出端，其特征在于，所述第二部件由一个第一电极层和与之配合的一个第二电极层组成，所述第一电极层和第二电极层分隔设置并且分别与所述电信号输出端的两端电连接，所述第一部件的下表面交替与所述第一电极层和第二电极层接触，使所述第一电极层和第二电极层通过电信号输出端向外输出电信号，所述第一部件的下表面与所述第一电极层和第二电极层的材料具有不同的摩擦电性质。

2.如权利要求1所述的纳米发电机，其特征在于，所述第一部件在初次与所述电极层接触前为电中性或带电体。

3.如权利要求1或2所述的纳米发电机，其特征在于，所述第一部件不能同时覆盖所述第一电极层和第二电极层。

4.如权利要求3所述的纳米发电机，其特征在于，所述第一部件的形状和尺寸与所述第一电极层和/或第二电极层的尺寸和形状相同。

5.如权利要求1-4任一项所述的纳米发电机，其特征在于，所述第一部件为绝缘体或半导体。

6.如权利要求1-5任一项所述的纳米发电机，其特征在于，所述第一部件10的下表面和/或第二部件20的上表面全部或部分设置有微米或次微米量级的微结构阵列。

7.如权利要求1-6任一项所述的纳米发电机，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层的尺寸和形状相同或不同。

8.如权利要求1-7任一项所述的纳米发电机，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层之间的分隔距离为0.1mm-5cm。

9.如权利要求1-8任一项所述的纳米发电机，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层处于同一个平面上。

10.如权利要求1-9任一项所述的纳米发电机，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层之间的空隙中填有填充介质。

11.如权利要求10所述的纳米发电机，其特征在于，所述填充介质选自聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯聚氯醚、聚偏二氯乙烯和聚（2,6-二甲基聚亚苯基氧化物）、不导电的液体、不导电的气体或真空。

12.如权利要求1-11任一项所述的纳米发电机，其特征在于，还包括隔离层，所述第一电极层和第二电极层的上表面完全贴合在所述隔离层的背面，第一部件的下表面交替与背面贴合有所述第一电极层的隔离层的部分上表面、以及背面贴合有第二电极层的隔离层的部分上表面接触，并且所述第一部件的下表面与隔离层材料具有不同的摩擦电性质。

13.如权利要求12所述的纳米发电机，其特征在于，所述隔离层为绝缘材料。

14.如权利要求13所述的纳米发电机，其特征在于，所述第一部件为绝缘体、半导体或导体。

15.如权利要求12-14任一项所述的纳米发电机，其特征在于，所述隔离层为分立结构或一体结构。

16.一种基于独立摩擦层纳米发电机的发电机组，其特征在于：由2个以上权利要求1-15任一项所述纳米发电机并联或串联形成。

17.如权利要求16所述的发电机组，其特征在于，至少部分纳米发电机共用1个第一部件。

18.如权利要求16所述的发电机组，其特征在于，所有所述纳米发电机共用1个第一部件。

19.如权利要求16-18任一项所述的发电机组，其特征在于，各所述纳米发电机中的第二部件相同或不同。

20.如权利要求16-19任一项所述的发电机组，其特征在于，每个纳米发电机均与一个独立的电信号输出端电连接，或者至少2个纳米发电机共用一个电信号输出端。

21.如权利要求16-20任一项所述的发电机组，其特征在于，至少部分纳米发电机的第一电极层连接形成互相导通的第一导电网络，同时与之配合的第二电极层连接形成互相导通的第二导电网络，并且两个导电网络相互隔离。

22.如权利要求21所述的发电机组，其特征在于，所述第一导电网络和第二导电网络的形状相同或互补。

23.如权利要求21或22所述的发电机组，其特征在于，所述第一导电网络和第二导电网络均为规整的周期性结构，每个周期性重复单元的尺寸和形状相同。

24.如权利要求23所述的发电机组，其特征在于，所述重复单元的尺寸和形状与所述第一部件的形状和尺寸相同。

25.如权利要求21-24任一项所述的发电机组，其特征在于，相邻两个第一部件同时与一个导电网络的不同重复单元接触。

26.如权利要求25所述的发电机组，其特征在于，所述第一部件与第二部件的数目相同。

27.一种发电方法，其特征在于包括如下步骤：

1）提供分隔放置的第一电极层和第二电极层，并将两个电极层分别与电信号输出端的两端电连接；

2）使独立的第一部件交替与第一电极层和第二电极层接触；

3）通过电信号输出端向外输出电信号。

28.如权利要求27所述的发电方法，其特征在于步骤2）的交替接触通过第一部件在两个电极层之间来回滑动实现，或者通过改变第一部件分别与两个电极层之间的垂直间距所造成的接触和分离实现。

29.如权利要求27或28所述的发电方法，其特征在于，步骤2）中的第一部件是电中性的物体或者是预先带电的物体。