CN105846710A - 一种完全可循环使用摩擦发电机及其制备方法 - Google Patents

一种完全可循环使用摩擦发电机及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种完全可循环使用摩擦发电机及其制备方法，完全可循环使用摩擦发电机包括基底部分，电极部分和功能薄膜层部分。通过选择水溶性的材料作为功能薄膜层，金属电极和基底实现整个器件的完全溶解，溶解之后的溶液还可以继续成膜，已达到完全可重复利用的目的。循环利用之前，发电机可以正常的工作，循环利用之后发电机的输出、溶解时间等性能不会降低，且依然可以发挥正常的功能，包括收集生活环境中的机械能，以及作为运动传感器件监测人体运动，机械振动等活动。本完全可循环使用摩擦发电机具有制备简单、成本低、溶解产物无毒无害、零浪费等等优点，在发电机的未来的实际应用以及服役后处理中具有很大的前景。

Description

一种完全可循环使用摩擦发电机及其制备方法
技术领域
本发明主要属于微纳能源、循环经济领域，具体涉及一种完全可循环使用摩擦发电机及其制备方法。
背景技术
现代社会的发展越来越离不开大量电子器件的快速发展。小型化、低能耗、智能化、多功能化是电子器件发展的一些趋势，为这些电子器件的供能成为了一个热门的研究领域。而从环境中俘获能量为这些电子器件供能在电子器件功耗越来越低的背景下变得尤为吸引人。这也是自驱动系统概念提出的背景。摩擦纳米发电机在2012年被发明出以后，由于其效率高、成本低、材料可选范围大、易于大规模制备、易植入等特点而得到了迅速的发展。摩擦纳米发电机在收集生活环境中的能量以及作为传感器件方面表现出了优异的性能。人体运动、机械振动、声波和风能均可以被摩擦纳米发电机高效的收集。
随着电子设备的大量应用，现代社会的电子垃圾问题越发成为了一个不得不重视的问题。每年数以百万吨的电子垃圾的后期处理成为了令人头疼的问题，由于在处理这些电子垃圾的过程中会释放一些污染物，进而对环境造成了严重的污染。摩擦发电机在其未来大量应用之后也会遇到后期处理的问题。
针对上述问题，亟需设计出一种可重复利用的发电机，在摩擦发电机完成服役之后还可以重新用来制备新的摩擦发电机，达到完全可重复利用的目的。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种完全可循环使用摩擦发电机及其制备方法，本发明选择制作功能薄膜层、电极层以及基底层的材料均可以溶于碱性溶液，当本发明所述摩擦发电机服役完成后，或者损伤之后可以收集起来，使用碱性溶液溶解使其完全溶解，溶解之后的溶液还可以继续成膜，已达到完全可重复利用的目的。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种完全可循环使用摩擦发电机的制备方法，所述制备方法首先采用水溶性有机材料来制备功能薄膜层，通过蒸镀在所述功能薄膜层的一侧表面形成电极层，再利用上述水溶性有机材料来制备基底层，然后将所述基底层以及镀有电极层的功能薄膜层进行组装，组装时将所述功能薄膜未镀有电极层一侧表面朝外，最后将电极层连接导线，制备得到完全可循环使用摩擦发电机。
进一步地，所述功能薄膜层的厚度为50-100微米，所述基底层的厚度为200-300微米，所述电极层的厚度为200-300纳米。
进一步地，所述制备方法具体包括如下步骤：
1)制备可溶性有机材料溶胶：以去离子水为溶剂，以可溶性有机材料为溶质，配置获得质量浓度为2-4％的可溶性有机材料溶胶；
2)制备功能薄膜层：将所述可溶性有机材料溶胶倒入培养皿中进行水分蒸发，控制导入培养皿中的溶胶的量以得到厚度为50-100微米的有机薄膜，即为所述功能薄膜层；
3)蒸镀电极层：使用热蒸镀镀膜机，通过蒸镀在所述功能薄膜层的一侧表面形成电极层，所述电极层的厚度为200-300纳米；
4)制备基底层：将步骤1)配置的所述可溶性有机材料溶胶倒入培养皿中进行水分蒸发，控制导入培养皿中的溶胶的量以得到厚度为200-300微米的有机薄膜，即为所述基底层；
5)组装：将上述步骤制备获得的所述基底层以及镀有电极层的功能薄膜层进行组装，组装时将所述功能薄膜未镀有电极层一侧表面朝外；将电极层连接导线，制备得到完全可循环使用的摩擦发电机。
6)服役完成后或者损伤后摩擦电机的循环使用步骤：当步骤5)制备获得的所述摩擦发电机服役完成后或者损伤之后，能够用于制备获得新的摩擦发电机。
进一步地，在步骤1)以及步骤3)中制备功能薄膜层和基底层所采用的水溶性有机材料为同一种，所述水溶性有机材料为海藻酸钠、聚乙烯醇、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚乙酸内酯或米纸中的任意一种。
进一步地，在步骤2)蒸镀电极层中，所述电极层的组分为锂、纳、钾、钙、镁、钡、铝、铜、金、铂或钛中的任意一种。
进一步地，步骤6)中，利用服役完成后或者损伤之后的摩擦发电机制备新摩擦发电机具体为：收集服役之后或者损坏的摩擦发电机，用碱性溶液将其溶解，溶解后获得的的溶液用作为步骤1)中所述可溶性有机材料溶胶；接着按照步骤2)-5)进行，制备获得新的摩擦纳米发电机；所述碱性溶液为LiOH溶液、NaOH溶液、KOH溶液、Ca(OH)2溶液或Ba(OH)溶液中的任意一种。
一种完全可循环使用摩擦发电机，根据所述一种完全可循环使用摩擦发电机的制备方法制备获得，其特征在于，所述摩擦发电机包括：功能薄膜层、电极层以及基底层；所述功能薄膜层以及所述基底层采用水溶性有机材料制备获得，所述摩擦发电机能够溶于碱性溶液。
进一步地，制备功能薄膜层和基底层所采用的水溶性有机材料为同一种，所述水溶性有机材料为海藻酸钠、聚乙烯醇、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚乙酸内酯或米纸中的任意一种。
进一步地，所述电极层组分为锂、纳、钾、钙、镁、钡、铝、铜、金、铂或钛中的任意一种。
进一步地，所述碱性溶液为LiOH溶液、NaOH溶液、KOH溶液、Ca(OH)2溶液或Ba(OH)溶液中的任意一种。
本发明的有益技术效果：
(1)本发明选择制作功能薄膜层、电极层以及基底层的材料均可以溶于特定碱性溶液，当本发明所述摩擦发电机服役完成后，或者损伤之后可以收集起来，使用碱性溶液溶解使其完全溶解，溶解之后的溶液还可以继续成膜，已达到完全可重复利用的目的。
(2)本发明提供的所述摩擦发电机在循环利用前后均可以正常的工作，能够收集生活环境中的机械能，以及作为运动传感器件监测人体运动，机械振动等活动。
(3)本发明提供的所述摩擦发电机的制备方法可以完全可循环使用摩擦发电机具有制备简单、成本低、溶解产物无毒无害、零浪费等等优点，在发电机的未来的实际应用以及服役后处理中具有很大的前景。
附图说明
图1为完全可循环使用摩擦发电机结构示意图；
附图标记：1.功能薄膜层、2.电极层、3.基底层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
实施例1
一种完全可循环使用摩擦发电机的制备方法，所述制备方法首先采用水溶性有机材料来制备功能薄膜层，通过蒸镀在所述功能薄膜层的一侧表面形成电极层，再利用上述水溶性有机材料来制备基底层，然后将所述基底层以及镀有电极层的功能薄膜层进行组装，组装时将所述功能薄膜未镀有电极层一侧表面朝外，最后将电极层连接导线，制备得到完全可循环使用摩擦发电机。
所述功能薄膜层的厚度为50微米，所述基底层的厚度为200微米，所述电极层的厚度为200纳米。
所述制备方法具体包括如下步骤：
1)制备可溶性有机材料溶胶：以去离子水为溶剂，以聚乙烯醇为溶质，配置获得质量浓度为2％的可溶性有机材料溶胶(本实施例中为聚乙烯醇溶胶)；
2)制备功能薄膜层：将所述可溶性有机材料溶胶(本实施例中为聚乙烯醇溶胶)倒入培养皿中进行水分蒸发，控制导入培养皿中的溶胶的量以得到厚度为50微米的有机薄膜，即为所述功能薄膜层；
3)蒸镀电极层：使用热蒸镀镀膜机，通过蒸镀在所述功能薄膜层的一侧表面形成锂电极层，所述锂电极层的厚度为200纳米；
4)制备基底层：将步骤1)配置的所述可溶性有机材料溶胶(本实施例中为聚乙烯醇溶胶)倒入培养皿中进行水分蒸发，控制导入培养皿中的溶胶的量以得到厚度为200微米的有机薄膜，即为所述基底层；
5)组装：将上述步骤制备获得的所述基底层以及镀有电极层的功能薄膜层进行组装，组装时将所述功能薄膜未镀有电极层一侧表面朝外；将电极层连接导线，制备得到完全可循环使用的摩擦发电机。
6)服役完成后或者损伤后摩擦电机的循环使用步骤：当步骤5)制备获得的所述摩擦发电机服役完成后或者损伤之后，能够用于制备获得新的摩擦发电机。
在步骤1)以及步骤3)中制备功能薄膜层和基底层所采用的水溶性有机材料为同一种，除了上述的聚乙烯醇,所述水溶性有机材料能够替换为海藻酸钠、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚乙酸内酯或米纸中的任意一种。
在步骤2)蒸镀电极层中，除了采用锂,所述电极层的组分能够替换为铝、纳、钾、钙、镁、钡、铜、金、铂或钛中的任意一种。
步骤6)中，利用服役完成后或者损伤之后的摩擦发电机制备新摩擦发电机具体为：收集服役之后或者损坏的摩擦发电机，用碱性溶液将其溶解，溶解后获得的的溶液用作为步骤1)中所述可溶性有机材料溶胶；接着按照步骤2)-5)进行，制备获得新的摩擦纳米发电机；所述碱性溶液为LiOH溶液、NaOH溶液、KOH溶液、Ca(OH)2溶液或Ba(OH)溶液中的任意一种。
服役之后或者损坏的摩擦发电机的器件溶于用碱性溶液之后的溶液可以用作可溶性有机材料溶胶，从而用来重新制备有机薄膜。
由于电极层溶解之后会产生离子，重新制备获得的薄膜的电阻、溶解时间、介电常数会有所变化。
例如，当服役之后或者损坏的摩擦发电机的电机层为锂，可溶性有机材料溶胶分别为海藻酸钠、聚乙烯醇和海藻酸钠/聚乙烯醇的三种情况来说，锂离子的加入使制备获得的聚乙烯醇薄膜的电阻值减小，其他两种有机薄膜的电阻值则增加。
制备获得的有机薄膜的介电常数也会有所变化，介电常数的变化与加入的其他物质(除了电极层中离子以外的)有关，如果加入的物质的介电常数与原先薄膜的介电常数相差较小，当加入的该种物质的量较少时，对有机薄膜的介电常数的影响较小，反之影响较大。
对于三种材料所制备的摩擦发电机，在循环之前和循环之后的溶解速率基本不变。
对于利用循环步骤制备的摩擦发电机以及不利用循环步骤制备的摩擦发电机(利用循环步骤制备的摩擦发电机：利用制备上述步骤1)-6)制备，不利用循环步骤制备的摩擦发电机：利用步骤1)-5)制备)而言，两种摩擦发电机的输出几乎不变，说明了循环之后发电机依然可靠，在溶解速率和电性能方面可以维持优异的性能。
一种完全可循环使用摩擦发电机，根据所述一种完全可循环使用摩擦发电机的制备方法制备获得，所述摩擦发电机包括：功能薄膜层、电极层以及基底层；所述功能薄膜层以及所述基底层采用水溶性有机材料制备获得，所述摩擦发电机能够溶于碱性溶液。
所述碱性溶液为LiOH溶液、NaOH溶液、KOH溶液、Ca(OH)2溶液或Ba(OH)溶液中的任意一种。
实施例2
一种完全可循环使用摩擦发电机的制备方法，所述制备方法首先采用水溶性有机材料来制备功能薄膜层，通过蒸镀在所述功能薄膜层的一侧表面形成电极层，再利用上述水溶性有机材料来制备基底层，然后将所述基底层以及镀有电极层的功能薄膜层进行组装，组装时将所述功能薄膜未镀有电极层一侧表面朝外，最后将电极层连接导线，制备得到完全可循环使用摩擦发电机。
所述功能薄膜层的厚度为100微米，所述基底层的厚度为300微米，所述电极层的厚度为300纳米。
所述制备方法具体包括如下步骤：
1)制备可溶性有机材料溶胶：以去离子水为溶剂，以可溶性有机材料(在本实施例中为海藻酸钠)为溶质，配置获得质量浓度为4％的可溶性有机材料溶胶；
2)制备功能薄膜层：将所述可溶性有机材料溶胶(在本实施例中为海藻酸钠)倒入培养皿中进行水分蒸发，控制导入培养皿中的溶胶的量以得到厚度为50-100微米的有机薄膜，即为所述功能薄膜层；
3)蒸镀电极层：使用热蒸镀镀膜机，通过蒸镀在所述功能薄膜层的一侧表面形成铝电极层，所述铝电极层的厚度为200-300纳米；
4)制备基底层：将步骤1)配置的所述可溶性有机材料溶胶(在本实施例中为海藻酸钠)倒入培养皿中进行水分蒸发，控制导入培养皿中的溶胶的量以得到厚度为200-300微米的有机薄膜，即为所述基底层；
5)组装：将上述步骤制备获得的所述基底层以及镀有电极层的功能薄膜层进行组装，组装时将所述功能薄膜未镀有电极层一侧表面朝外；将电极层连接导线，制备得到完全可循环使用的摩擦发电机。
6)服役完成后或者损伤后摩擦电机的循环使用步骤：当步骤5)制备获得的所述摩擦发电机服役完成后或者损伤之后，能够用于制备获得新的摩擦发电机。
在步骤1)以及步骤3)中制备功能薄膜层和基底层所采用的水溶性有机材料为同一种，除了上述的海藻酸钠,所述水溶性有机材料能够替换为海藻酸钠、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚乙酸内酯或米纸中的任意一种。
在步骤2)蒸镀电极层中，除了采用铝,所述电极层的组分能够替换为锂、纳、钾、钙、镁、钡、铜、金、铂或钛中的任意一种。
步骤6)中，利用服役完成后或者损伤之后的摩擦发电机制备新摩擦发电机具体为：收集服役之后或者损坏的摩擦发电机，用NaOH溶液将其溶解，溶解后获得的溶液用作为步骤1)中所述可溶性有机材料溶胶；接着按照步骤2)-5)进行，制备获得新的摩擦纳米发电机。
在本实施例中，对于利用循环步骤制备的摩擦发电机以及不利用循环步骤制备的摩擦发电机(利用循环步骤制备的摩擦发电机：利用制备上述步骤1)-6)制备，不利用循环步骤制备的摩擦发电机：利用步骤1)-5)制备)而言，两种摩擦发电机的输出几乎不变，说明了循环之后发电机依然可靠，在溶解速率和电性能方面可以维持优异的性能。

Claims (10)

1.一种完全可循环使用摩擦发电机的制备方法，其特征在于，所述制备方法首先采用水溶性有机材料来制备功能薄膜层，通过蒸镀在所述功能薄膜层的一侧表面形成电极层，再利用上述水溶性有机材料来制备基底层，然后将所述基底层以及镀有电极层的功能薄膜层进行组装，组装时将所述功能薄膜未镀有电极层一侧表面朝外，最后将电极层连接导线，制备得到完全可循环使用摩擦发电机。
2.根据权利要求1所述一种完全可循环使用摩擦发电机的制备方法，其特征在于，所述功能薄膜层的厚度为50-100微米，所述基底层的厚度为200-300微米，所述电极层的厚度为200-300纳米。
3.根据权利要求1所述一种完全可循环使用摩擦发电机的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括如下步骤：
1）制备可溶性有机材料溶胶：以去离子水为溶剂，以可溶性有机材料为溶质，配置获得质量浓度为2-4%的可溶性有机材料溶胶；
2）制备功能薄膜层：将所述可溶性有机材料溶胶倒入培养皿中进行水分蒸发，控制导入培养皿中的溶胶的量以得到厚度为50-100微米的有机薄膜，即为所述功能薄膜层；
3）蒸镀电极层：使用热蒸镀镀膜机，通过蒸镀在所述功能薄膜层的一侧表面形成电极层，所述电极层的厚度为200-300纳米；
4）制备基底层：将步骤1）配置的所述可溶性有机材料溶胶倒入培养皿中进行水分蒸发，控制导入培养皿中的溶胶的量以得到厚度为200-300微米的有机薄膜，即为所述基底层；
5）组装：将上述步骤制备获得的所述基底层以及镀有电极层的功能薄膜层进行组装，组装时将所述功能薄膜未镀有电极层一侧表面朝外；将电极层连接导线，制备得到完全可循环使用的摩擦发电机；
6）服役完成后或者损伤后摩擦电机的循环使用步骤：当步骤5）制备获得的所述摩擦发电机服役完成后或者损伤之后，能够用于制备获得新的摩擦发电机。
4.根据权利要求3所述一种完全可循环使用摩擦发电机的制备方法，其特征在于，在步骤1）以及步骤3）中制备功能薄膜层和基底层所采用的水溶性有机材料为同一种，所述水溶性有机材料为海藻酸钠、聚乙烯醇、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚乙酸内酯或米纸中的任意一种。
5.根据权利要求4所述一种完全可循环使用摩擦发电机的制备方法，其特征在于，在步骤2）蒸镀电极层中，所述电极层的组分为锂、纳、钾、钙、镁、钡、铝、铜、金、铂或钛中的任意一种。
6.根据权利要求5所述一种完全可循环使用摩擦发电机的制备方法，其特征在于，步骤6）中，利用服役完成后或者损伤之后的摩擦发电机制备新摩擦发电机具体为：收集服役之后或者损坏的摩擦发电机，用碱性溶液将其溶解，溶解后获得的的溶液用作为步骤1）中所述可溶性有机材料溶胶；接着按照步骤2）-5）进行，制备获得新的摩擦纳米发电机；所述碱性溶液为LiOH溶液、NaOH溶液、KOH溶液、Ca(OH)2溶液或Ba(OH) 溶液中的任意一种。
7.一种完全可循环使用摩擦发电机，根据权利要求1-6之一所述一种完全可循环使用摩擦发电机的制备方法制备获得，其特征在于，所述摩擦发电机包括：功能薄膜层、电极层以及基底层；所述功能薄膜层以及所述基底层采用水溶性有机材料制备获得，所述摩擦发电机能够溶于碱性溶液。
8.根据权利要求7所述一种完全可循环使用摩擦发电机，其特征在于，制备功能薄膜层和基底层所采用的水溶性有机材料为同一种，所述水溶性有机材料为海藻酸钠、聚乙烯醇、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚乙酸内酯或米纸中的任意一种。
9.根据权利要求7所述一种完全可循环使用摩擦发电机，其特征在于，所述电极层组分为锂、纳、钾、钙、镁、钡、铝、铜、金、铂或钛中的任意一种。
10.根据权利要求7所述一种完全可循环使用摩擦发电机，其特征在于，所述碱性溶液为LiOH溶液、NaOH溶液、KOH溶液、Ca(OH)2溶液或Ba(OH) 溶液中的任意一种。
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