CN106230089A - 可剪切摩擦发电储能一体化器件及其制备方法 - Google Patents

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张跃
张茜
梁齐杰
闫小琴
郑鑫
马明园
徐旻轩
李明华
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    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
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Abstract

本发明涉及一种可剪切摩擦发电储能一体化器件及其制造方法，摩擦发电储能器件包括：纤维织物基可剪切多功能摩擦器件、碳布石墨烯基超级电容器，超级电容器组装于摩擦器件之上，摩擦器件具有自驱动运动传感功能、其表面PDMS层的疏水性能更好的实现了水力发电的功能，摩擦器件还可以收集周围环境的机械运动能。超级电容器电极由分散有石墨烯的碳布组成，所用固态电解质为H2SO4/PVA。这种摩擦发电储能器件结构简单、成本低廉，在被剪切后仍可以有效地作为传感器件和收集能量。其可以收集生活中的水流、机械运动相关能量，并且存储于该一体化器件的超级电容器中，可广泛应用于建筑物表面和实现可穿戴发电‑储能功能，并对携带的小型器件实现稳定供能，有很大的应用前景。

Description

可剪切摩擦发电储能一体化器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及微纳能源、可穿戴电子器件领域，具体涉及一种可剪切摩擦发电储能一体化器件及其制备方法。
背景技术
能源对于人类的文明发展至关重要。能源是所有人类文明赖以建立的基础，并推动着人类文明的繁荣和发展。石油和煤炭占据主导地位的传统能源极大的促进了社会的发展，然而也不可避免地遭遇两大安全问题。一是传统能源的供应安全。二是传统能源的使用安全。总结起来就是不可再生性和环境污染。为了解放人类对化石燃料的依赖，从环境中获取能量吸引了越来越多的兴趣。环境中动能，如人体的运动动能、风能导致的振动动能等都是绿色清洁能源。如何去利用这些动能并且转化为更加便利的电能，并且便携存储成为了现今社会的重要研究热点。对储能一体化能源器件的探索需要一个比较高的技术平台，因为要掌握多种能源获取的方式，比如摩擦发电，超级电容器等，而对复合能源器件的研究重点应该集中在如何将能够收集的环境能量最大化。还有就是解决个人随身携带电子器件比如手机，手表等的供电问题。
2013年，王中林小组(Nano letters,2012,12(6),3109-3114)报导了利用接触带电原理制作的摩擦发电机可能在收集能量方面具有巨大的应用前景。柔性、可穿戴、可剪切特性是一个在新型光电器件和电子器件领域的重要部分，且在实际生活中扮演了一个非常重要的角色。另一方面，将收集到的能量存储起来是一个非常重要的研究领域。而摩擦发电机输出的交流电信号不能直接应用于很多电子器件，阻止了其在实际生活中的应用，因此将其用超级电容器存储起来，输出稳定可持续的电能，非常有应用前景。
发明内容
本发明涉及一种可剪切摩擦发电储能一体化器件及其制造方法，摩擦发电储能器件包括：纤维织物基可剪切多功能摩擦器件、碳布石墨烯基超级电容器。
为了实现上述目的，本发明提出如下技术方案：一种可剪切摩擦发电储能一体化器件，其中，该器件包括整流器、可剪切摩擦发电机和至少2个柔性石墨烯基超级电容器集成，至少2个所述柔性石墨烯基超级电容器设置在可剪切摩擦发电机一端，所述可剪切摩擦发电机的输出端通过导线与所述整流器连接，所述整流器与至少2个所述柔性石墨烯基超级电容器连接；该器件可收集环境中水能和运动机械能，所述可剪切摩擦发电机具有柔性、可剪切、可穿戴功能。
进一步，所述可剪切摩擦发电机包括柔性载体、金属导电层、摩擦层和设置在所述摩擦层上的凸起条纹；
其中，所述金属导电层包覆在所述柔性载体的表面，所述摩擦层包覆在金属导电层的表面，若干凸起条纹等距设置所述摩擦层的表面。
进一步，所述柔性载体包括纤维织物PET。
进一步，所述金属导电层包括Cu/Ni合金或导电Ag。
进一步，所述摩擦层包括聚二甲基硅氧烷或硅胶。
进一步，所述石墨烯基超级电容器为面积不小于0.3*0.3cm2，电压窗口为0-1V，在电流密度为0.11mA cm-2时，电容值为20.91mF cm-2。
进一步，所述凸起条纹之间的间距为1-3μm。
本发明的另一目的是提供上述一体化器件的方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤1.可剪切摩擦发电机的制备：
取一块合适尺寸的柔性载体，在选取好的柔性载体的表面镀上一层金属导电层，并在金属导电层表面涂上使用光盘压印图案化摩擦层，备用；
步骤2.柔性石墨烯基超级电容器的制备：
2.1)将碳布置于超声清洗机中，依次使用丙酮、乙醇清洗，各溶液中清洗十分钟，晾干待用；
2.2)将一定量的石墨烯分散到去离子水中，将步骤2.1)处理后的碳布浸涂到石墨烯水散液中，在120-160℃下烘干多余水分，作为电极，备用；
2..3)将H2SO4和PVA按照质量比1：1混合加入60mL去离子水,加热到80-90℃，搅拌直到溶液澄清，形成H2SO4/PVA凝胶，作固体电解质；
2.4)取步骤2.2制备得到的电极两片，在电极两片中间加上H2SO4/PVA凝胶固体电解质，制备成对称型双电极结构石墨烯基柔性超级电容器；
步骤3：将步骤1制备得到可剪切摩擦发电机与步骤2制备得到的石墨烯基柔性超级电容器集成在一起，通过整流器整将流摩擦发电机产生的交流电成直流电，存储到超级电容器中。
本发明的有益效果在于，摩擦器件具有自驱动运动传感功能、其表面PDMS层的疏水性能更好的实现了水力发电的功能，摩擦器件还可以收集周围环境的机械运动能。超级电容器电极由分散有石墨烯的碳布组成，所用固态电解质为H2SO4/PVA。这种摩擦发电储能器件机结构简单、成本低廉，在被剪切后仍可以有效地作为传感器件和收集能量。其可以收集生活中的水流、机械运动相关能量，可广泛应用于建筑物表面和实现可穿戴发电-储能功能，并对携带的小型器件实现稳定供能，有很大的应用前景。且可以进一步使用于制备雨衣来收集雨水能量，有望对随身携带小型电子器件实现供能，具有很大的应用前景。
附图说明
图1为本发明可剪切摩擦发电储能一体化器件结构示意图。
图2为本发明可剪切摩擦发电储能一体化器件剖视示意图。
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。
如图1-2所示，一种可剪切摩擦发电储能一体化器件，其中，该器件包括整流器、可剪切摩擦发电机和至少2个柔性石墨烯基超级电容器集成，至少2个所述柔性石墨烯基超级电容器设置在可剪切摩擦发电机一端，所述可剪切摩擦发电机的输出端通过导线与所述整流器连接，所述整流器与至少2个所述柔性石墨烯基超级电容器连接；该器件可收集环境中水能和运动机械能，所述可剪切摩擦发电机具有柔性、可剪切、可穿戴功能。所述可剪切摩擦发电机包括柔性载体、金属导电层、摩擦层和设置在所述摩擦层上的凸起条纹；其中，所述金属导电层包覆在所述柔性载体的表面，所述摩擦层包覆在金属导电层的表面，若干凸起条纹等距设置所述摩擦层的表面。所述柔性载体包括纤维织物PET。所述金属导电层包括Cu/Ni合金或导电Ag。所述摩擦层包括聚二甲基硅氧烷或硅胶。所述石墨烯基超级电容器为面积不小于0.3*0.3cm2，电压窗口为0-1V，在电流密度为0.11mA cm-2时，电容值为20.91mFcm-2。所述凸起条纹之间的间距为1-3μm。
上述可剪切摩擦发电储能一体化器件制造方法包括如下步骤：
a.使用PET纤维织物镀上Cu/Ni合金导电层，并在表面涂上图案化聚二甲基硅氧烷(PDMS)层作为摩擦层和疏水层。
b.将碳布置于超声清洗机中，依次使用丙酮、乙醇清洗，各溶液中清洗十分钟，晾干待用；
c.0.1g石墨烯分散到100mL去离子水中，将碳布浸涂到石墨烯水分散液中，在150℃下烘干多余水分，作为电极。
d.6g H2SO4和6g PVA(poly(vinyl alcohol),)加入60mL去离子水,加热到85℃，搅拌直到溶液澄清，形成H2SO4/PVA凝胶，作固体电解质。
e.将两片电极中间加上H2SO4/PVA凝胶固体电解质，制备成对称型双电极结构石墨烯基柔性超级电容器。
f.将可剪切摩擦发电机与石墨烯基柔性超级电容器集成在一起。试用整流器整流摩擦发电机产生的交流电成直流电，存储到超级电容器中。
本发明的有益效果在于，通过将摩擦发电机制备成导电布基底的，使得其具有可剪切的性能，导致其可在多种苛刻条件下进行应用，如被剪切，刺穿，撞击后损毁部分，其剩余部分也可正常工作，并且与超级电容器集成，形成自充电系统，可以提供稳定可持续的电能。这种摩擦子器件的结构简单、成本低廉，不仅可以用做自驱动的运动传感装置，并且还可以收集生活中的水流相关能量，运动相关能量，并且可以给小型穿戴电子器件稳定功能，具有很大的应用前景。

Claims (8)

1.一种可剪切摩擦发电储能一体化器件，其特征在于，该器件包括整流器(1)、可剪切摩擦发电机（2）和至少2个柔性石墨烯基超级电容器（3）集成，至少2个所述柔性石墨烯基超级电容器设置在可剪切摩擦发电机一端，所述可剪切摩擦发电机的输出端通过导线与所述整流器连接，所述整流器与至少2个所述柔性石墨烯基超级电容器连接；该器件可收集环境中水能和运动机械能，所述可剪切摩擦发电机具有柔性、可剪切、可穿戴功能。
2.根据权利要求1所述的一体化器件，其特征在于，所述可剪切摩擦发电机（2）包括柔性载体（4）、金属导电层（5）、摩擦层（6）和设置在所述摩擦层（6）上的凸起条纹（7）；
其中，所述金属导电层（5）包覆在所述柔性载体（4）的表面，所述摩擦层（6）包覆在金属导电层（5）的表面，若干凸起条纹（7）等距设置所述摩擦层（6）的表面。
3.根据权利要求2所述的一体化器件，其特征在于，所述柔性载体（1）包括纤维织物PET。
4.根据权利要求2所述的一体化器件，其特征在于，所述金属导电层（2）包括Cu/Ni合金或导电Ag。
5.根据权利要求2所述的一体化器件，其特征在于，所述摩擦层（3）包括聚二甲基硅氧烷或硅胶。
6.根据权利要求1所述的石墨烯基柔性超级电容器，其特征在于，所述石墨烯基超级电容器（3）为面积不小于0.3*0.3cm2，电压窗口为0-1V，在电流密度为0.11 mA cm-2时，电容值为20.91 mF cm-2。
7.根据权利要求2所述的一体化器件，其特征在于，所述凸起条纹（7）之间的间距1-3
μm。
8.一种制备如权利要求1-7任意一项所述的一体化器件的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
步骤1.可剪切摩擦发电机的制备：
取一块合适尺寸的柔性载体（4），在选取好的柔性载体（4）的表面镀上一层金属导电层（5），并在金属导电层（5）表面涂上使用光盘压印图案化摩擦层（6），备用；
步骤2. 柔性石墨烯基超级电容器的制备：
2.1）将碳布置于超声清洗机中，依次使用丙酮、乙醇清洗，各溶液中清洗十分钟，晾干待用；
2.2）将一定量的石墨烯分散到去离子水中，将步骤2.1）处理后的碳布浸涂到石墨烯水散液中，在120-160℃下烘干多余水分，作为电极，备用；
2..3）将H2SO4和PVA 按照质量比1：1混合加入60 mL去离子水，加热到80-90 ℃，搅拌直到溶液澄清，形成H2SO4/PVA凝胶，作固体电解质；
2.4）取步骤2.2制备得到的电极两片，在电极两片中间加上H2SO4/PVA凝胶固体电解质，制备成对称型双电极结构石墨烯基柔性超级电容器；
步骤3：将步骤1制备得到可剪切摩擦发电机与步骤2制备得到的石墨烯基柔性超级电容器集成在一起，通过整流器整将流摩擦发电机产生的交流电成直流电，存储到超级电容器中。
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