CN106602922A - 一种管状摩擦纳米发电机以及应用其的布料和能量鞋 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管状摩擦纳米发电机，采用管状结构的弹性摩擦层，在摩擦层内表面设置柔性内电极层，在外表面设置柔性外电极层，在受到外力作用时，采用螺旋结构设计的内电极层的内表面可以与摩擦层的内表面互相接触和分离，由于摩擦效应与静电感应的耦合作用，在内电极层与外电极层形成电荷流动，方便的采集随处可见、普遍存在的各种可利用的机械能如旋转、敲击、弯曲以及伸缩等转变为电能。

Description

一种管状摩擦纳米发电机以及应用其的布料和能量鞋

技术领域

本发明涉及能量转化领域，特别涉及一种将施加的机械能转化为电能的管状摩擦纳米发电机，以及应用该摩擦纳米发电机的布料和能量鞋。

背景技术

可穿戴电子设备、智能制造、健康监测以及运动追踪等领域正在飞速发展，基于实用、美学角度的考虑，可穿戴电子设备及其能量系统亟需不断的小型化、轻量化、柔韧化和耐洗化。减少功率设备、增加能量密度方面目前虽有些实质性的突破，但依然留下诸多问题，如电池寿命有限性及其维修、更换的不便性。解决以上问题最具前景的一个技术就是直接从工作环境中采集能量，从而使电子设备可持续不断的工作。

目前存在多种可能的能量采集方式，如太阳能电池可直接从太阳光中采集能量、热释电发电机可通过温差获取能量。然而，由于太阳光的间歇性、人体温差热释电的低输出性，这些能量采集方式都不能保证可穿戴电子设备能够持续的工作。因此寻求一种能够持续工作并具有高输出的能量采集装置的任务迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以收集各种形式机械能的柔性摩擦纳米发电机，能够收集旋转、敲击、弯曲、伸缩、挤压、拉伸等形式的力转变为电能，为可穿戴设备供电。

为了实现上述目的，本发明提供一种管状摩擦纳米发电机，包括：

管状结构的摩擦层，所述摩擦层采用弹性材料；

在所述管状摩擦层外侧包覆的柔性外电极层；

一个柔性内电极层，为带状结构，所述柔性内电极层的外表面部分或全部附着在所述管状结构的摩擦层的内表面；

在外力作用后撤去外力，所述内电极层至少部分与所述摩擦层内表面接触后分离，在形变过程中所述内电极层与外电极层之间产生电荷流动。

优选的，所述柔性内电极层的内表面的材料与摩擦层的内表面的材料存在得失电子能力差异。

优选的，所述柔性内电极层和/或所述柔性外电极层的材料为在绝缘材料中混合导电微米/纳米结构材料形成的可拉伸材料。

优选的，所述导电微米/纳米结构材料为碳基导电材料导电炭黑、碳纳米管、石墨烯或金属纳米颗粒。

优选的，所述在绝缘材料中混合炭黑和碳纳米管。

优选的，所述绝缘材料为硅橡胶或未硫化的橡胶。

优选的，所述内电极层的设置方向为长度延伸方向与管状结构的摩擦层的径向的夹角为θ，其中，0°＜θ＜90°。

优选的，所述内电极层的长度延伸方向与管状摩擦层的长度延伸方向一致。

优选的，所述摩擦层的内管径周长的一半D，条状内电极层的宽度为d，满足d＝D×sinθ。

优选的，所述内电极层的设置方向为长度延伸方向与管状摩擦层的径向的夹角为45°。

优选的，所述条状内电极层的宽度为2-8mm。

优选的，在未受外力时，所述摩擦层沿着径向的截面的形状为圆环状、椭圆环或不规则的环状。

优选的，所述摩擦层的材料为硅橡胶、未硫化的橡胶。

优选的，还包括包覆所述外电极层的保护层，所述保护层采用绝缘柔性材料。

优选的，所述保护层将所述外电极层、绝缘层和内电极层全部封装。

本发明还提供一种布料，包含上述任一项中所述的管状摩擦纳米发电机。

优选的，所述管状摩擦纳米发电机的摩擦层采用圆管状，内径为1-4mm。

本发明还提供一种能量鞋，在鞋底或者鞋内安装权利要求1-14任一项中所述的管状摩擦纳米发电机。

优选的，所述管状摩擦纳米发电机的摩擦层采用圆管状，内径为5-15mm。

通过上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明采用管状结构的弹性摩擦层，在摩擦层内表面设置柔性内电极层，在外表面设置柔性外电极层，在受到外力作用时，内电极层的内表面可以与摩擦层的内表面互相接触和分离，由于摩擦效应与静电感应的耦合作用，在内电极层与外电极层形成电荷流动，方便的采集随处可见、普遍存在的各种可利用的机械能如旋转、敲击、弯曲以及伸缩等转变为电能。

本发明采用导电碳材料(导电碳黑、碳纳米管等)与硅橡胶复合物作为电极材料，不仅使得电极材料以及装配成的摩擦纳米发电机具有柔性、拉伸性、防水性、防腐性、轻量化和低成本等优势，而且增加了有效的摩擦接触面积，提高了发电机的输出特性。

本发明的摩擦纳米发电机，内电极层采用螺旋带状设计并优化其结构参数，使得摩擦接触面积碎片化，进一步增强了有效的摩擦接触面积，显著地提高了输出电荷密度进而大幅度提高了发电机的输出功率，从而实现了通过人体运动直接驱动可穿戴电子设备，而无需电源管理电路的辅助。

本发明的摩擦纳米发电机采用管状设计，这种管状结构的TENG性能极 其稳定，它可直接采集各种形式的机械能。管径可以根据应用需要而改变，细管可以与衣物编织在一起，成为可穿戴的电源。

本发明的摩擦纳米发电机在配备超级电容器或电池组成自充电能量系统后，由于摩擦纳米发电机的质量轻、体积小、效率高以及可选择材料范围广等优势，可安装在鞋底下或编织在衣服上使用，直接采集人体步行、慢跑中的运动机械能，无需体积较大的能量管理电路，就能够持续不断的驱动各种可穿戴电子设备，如电子手表、智能手环等。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的管状摩擦纳米发电机的典型结构示意图；

图2为本发明的管状摩擦纳米发电机的发电过程原理示意图；

图3和图4为内电极层在摩擦层上设置方式的示意图；

图5为内电极层不同角度设置时内电极层与摩擦层互相接触情况以及电荷密度比较曲线；

图6为内电极层宽度固定时，内电极层与摩擦层的径向方向夹角θ不同时，内电极层与摩擦层互相接触情况以及输出性能变化曲线；

图7为内电极层与摩擦层的径向方向夹角θ固定为45，内电极层宽度不同时，内电极层与摩擦层互相接触情况以及输出性能变化曲线；

图8为最优状态d＝D×sinθ时，内电极层与摩擦层互相接触情况以及发电机的输出电荷量与电荷密度；

图9为本发明的发电机在受不同形式的外力时输出情况。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”是指示图中的方向；“内”指朝向相应结构内部，“外”指朝向相应结构外部。

利用摩擦起电和静电感应原理的摩擦电纳米发电机(TENG)，可以采集随处可见、普遍存在的各种可利用的机械能，它可直接利用周围环境中的各种机械能，如旋转、敲击、弯曲以及伸缩等。由于摩擦电纳米发电机的质量轻、体积小、效率高以及可选择材料范围广等优势，用于可穿戴电子设备的能量源，正越来越受到人们重视。

本发明通过结构设计和材料选择，提出了一种只需通过人体运动等机械能就可持续驱动可穿戴电子设备的管状式的摩擦纳米发电机。这种管状式的摩擦纳米发电机具有各种良好特性，如柔韧性、可塑性、可编织性、各向异性以及防水性等。

下面结合附图，详细介绍本发明提供的管状摩擦纳米发电机的结构和性能。

图1所示结构为本发明提供的管状摩擦纳米发电机的典型结构示意图，所示发电机包括：管状结构的摩擦层2，采用弹性材料，可以在受到外力作用时在径向被压扁或者扭曲变形，撤去外力时，可以弹性恢复原始形状；管状结构的摩擦层2外侧包覆的柔性外电极层3；一个柔性内电极层1，为带状结构，柔性内电极层1的外表面部分或全部附着在管状结构的摩擦层2的内表面；在外力作用后撤去外力，内电极层1的内表面部分或者全部与摩擦层2内表面接触后分离，在形变过程中在内电极层1与外电极层3之间产生电荷流动。

为了表述方便，柔性内电极层1面向管状结构的摩擦层2空腔的表面称为柔性内电极层1的内表面。

柔性内电极层1设置在管状结构的摩擦层2的内侧表面，优选紧密贴合，在受到外力作用时，可以随着摩擦层2的变形而变形。

摩擦纳米发电机的工作原理是基于摩擦效应与静电感应的耦合作用，本发明提供的管状摩擦纳米发电机的发电过程参见图2，在外力(例如管状结构的摩擦层径向的压力)作用下，柔性内电极层1的内表面与摩擦层2的内表面互相接触，由于柔性内电极层1的内表面的材料与摩擦层2的内表面的材料存在得失电子能力差异，优选摩擦层2的内表面材料有较高的得电子能力，电子会从内电极层1表面转移到摩擦层2的内表面，从而使内电极层1带正电荷、摩擦层2的内表面带负电荷，参见图2中(a)图，如果摩擦层2的内表面采用绝缘采用，表面摩擦电荷可以长时间被保留。当压力释放时，由于管状结构的摩擦层2具有弹性，在弹性恢复力作用下，内电极层1的内表面和摩擦层2的内表面分离，外电极层3将感应出正电荷，因此外电极层3将电子可通过负载流向内电极层，参见图2中(b)图，最终达到电势平衡，参见图2中(c)图。再次施加压力，电子可从内电极层1流回到外电极层3，达到一个新的平衡，直到内电极层1的内表面与摩擦层2的内表面相接触，参见图2中(d)图。因此，通过对管状摩擦纳米发电机周期性的施加压力，可对外输出交流电。

根据受力情况不同，柔性内电极层和外电极层的可变形情况也可以不同，如果仅为压力(如径向方向的压力)，柔性内电极层和外电极层可以为采用柔性材料例如铝箔、铜箔等，或者是在柔性材料上镀上导电材料形成柔性电极。

如果要收集压力、拉力、扭转、弯折等情况下的机械能，需要内电极层和外电极层也为可拉伸材料，适应摩擦层的变形。

本发明中，柔性内电极层1和外电极层2均可以为可拉伸结构，可以采用在可拉伸橡胶中混合入导电碳黑与碳纳米管的方式获得。这里以一个具体制备过程介绍导电柔性材料的获得过程，但不用于限制本发明的保护范围，首先混合体积比为1：1的硅橡胶(Ecoflex00-30)的两种基本液，得到液态硅橡胶，再加入导电碳黑(CB)与碳纳米管(CNTs)的混合物(质量比为2：1)。均匀混合后，该混合物涂敷到预处理过的板材上，然后30℃热处理5h，得到柔性可拉伸的导电电极层材料，电极层的尺寸可以通过切割来调节。导电碳黑提供了主要的电导性；碳纳米管不仅增强了在高压力下的电导率，而且由于其表面的纳米结构性从而增大了摩擦的接触面积。柔性硅橡胶作为电极层中的基体材料赋予了高的接触效果。

另外，除了硅橡胶，其他绝缘材料也可以作为柔性电极材料的基体材料，如未硫化的其他橡胶材料，其他有机物柔性材料等，因此，只要在是可以液化的绝缘材料中混合入导电的微米/纳米结构材料，凝固后即可获得可拉伸的导电材料。导电的微米/纳米结构材料可以采用碳基导电材料如导电炭黑、碳纳米管、石墨烯，或者金属纳米颗粒等导电材料。

可以在制备获得的柔性导电电极层材料的一部被切割成宽5mm的带状电极层充当柔性内电极层1，另一部分粘贴到管状摩擦层层(硅橡胶)的外表面上充当柔性外电极层。

图3和图4为本发明提供的管状摩擦纳米发电机沿着长度方向的截面结构示意图，带状内电极层1可以沿着管状结构的摩擦层2的长度延伸方向L设置，见图3中内电极层1平行于管状结构的摩擦层2的轴线方向，这种结构可以称为直铺式的摩擦纳米发电机；带状内电极层1也可以为螺旋状设置，带状内电极层1的长度延伸方向与管状结构的摩擦层2的径向方向R成一定夹角θ，0°＜θ＜90°，这种结构可以称为螺旋带状的摩擦纳米发电机。

管状结构的摩擦层1，采用的材料需要具有弹性，可以在任何方向施加 外力使都可以使其变形并在撤去外力后恢复原状，外力包括旋转、敲击、弯曲、伸缩、挤压、拉伸等形式的力。可以选择的材料有绝缘体，例如硅橡胶、未硫化的橡胶。以摩擦层1采用硅橡胶材料为例，该材料有着强烈的得电子趋势并在各个维度拥有良好的柔性和可伸缩性，是本发明的一种优选材料。

在未受外力时，管状结构的摩擦层1沿着径向的截面的形状可以为圆环状、椭圆环或不规则的环状。沿着径向的截面的环状的宽度为管状结构的摩擦层1的厚度，摩擦层的内管径周长的一半D为管状结构的摩擦层1被完全压扁至水平(如图2中(a)图所示)的尺寸。管状结构的摩擦层1的厚度根据内径的尺寸合适选择，能够保证管状结构摩擦层的弹性形变即可。

在所述管状摩擦层1的长度方向上，所述内电极层的相邻部分之间的距离可以与内电极层的宽度相等。

为了保护管状摩擦纳米发电机，还可以在外电极层的外表面设置保护层，保护层将外电极层、绝缘层和内电极层全部封装。保护层可以采用绝缘柔性材料，例如可以为硅橡胶等柔性绝缘材料。

螺旋带状结构的摩擦纳米发电机(图4中的结构)相比于直铺式的摩擦纳米发电机(图3中的结构)有着相当明显的优势。首先，在同等尺寸的情况下，直铺式的摩擦纳米发电机电荷密度最大为110μCm^-2，其远小于螺旋式带状结构的摩擦纳米发电机，见图5c中曲线。其次，当在不同方向按压时，螺旋带状的摩擦纳米发电机的电荷密度基本保持不变(见图5a和图5c)；然而直铺式的摩擦纳米发电机对按压方向的敏感性极为明显，在斜角为90°方向按压时其电荷密度几乎趋近于0(图5b和图5c)。螺旋带状的摩擦纳米发电机表现出的稳定输出性能归功于其完美的对称结构，使得在不同方向按压时其接触面积保持不变。通过实验测量，在θ为45°时，在受到不同方向的外力作用下，螺旋带状的摩擦纳米发电机表现出最佳的稳定输出性能。

螺旋带状式的摩擦纳米发电机的表面电荷密度最大可提升到250μ Cm^-2，优异的输出性能主要归功于两个方面。其一，柔软的塑性材料与纳米结构的表面的良好接触大大的提高了接触效率，从而增大了输出电荷密度。其二，螺旋式的结构使得紧密接触更为高效，从而也增加了输出电荷密度。窄螺旋带接触面被分割成多个小片段(如图5a中用点状线标注的平行四边形)，这也就降低了由于接触面的粗糙性所带来的不充分接触的可能性。

由于摩擦纳米发电机的输出电荷量随内电极层1内表面与摩擦层2内表面的接触面积的增加而增大，电荷密度通常也是用来衡量摩擦纳米发电机的一个性能指标。对于螺旋带状的摩擦纳米发电机，一旦其总面积被确定，通过适当调整几何参数：内电极层1的宽度d；内电极层1与摩擦层2径向所成夹角θ；摩擦层的内管径周长的一半D，其最大电荷输出与最高电荷密度是一致的。另外可知，当d为常数5mm时，最大电荷量与最大电荷密度可同时在θ＝45°处获得(图6a和图6b)。当θ设定为45°(图7a和图7b)，传输电荷量随d的增大呈现先增大后减小的趋势，原因归于：当d太小时，与摩擦层内表面的接触面太小；当d太大时，内电极层1的重叠面过大。电荷密度随d的增加而减小，并且对于一个尺寸固定的摩擦纳米发电机，d的优化值为5mm时，其相应的电荷量与电荷密度最大值分别为100nC、250μCm^-2。发明人通过实验获得，为得到摩擦纳米发电机优异的输出性能，三个参数之间的关系为d＝D×sinθ，图8a和图8b为在这种情况下摩擦发电机的输出电荷量与电荷密度。

对于一般尺寸的管状摩擦纳米发电机，带状内电极层1的带宽可以根据摩擦层2的内径大小变化，内电极层1的带宽范围可以为2-8mm。

由于螺旋带状结构的摩擦纳米发电机有着良好的柔性和弹性；除了可以将压力形变转化为电能外，它也可将其它多种形式的形变，如：弯曲、扭曲以及拉伸等转化为电能。图9中展示了摩擦层采用圆管状、内径7mm螺旋带状结构的摩擦纳米发电机在受以上各种形变的能量采集情况。当受按压力 时(图9中a、b、c图)，其电荷量与开路电位的峰值分别为：～250μCm^-2、～145V，并且在不同频率下该值保持不变；同时其短路电流密度随着频率的增加而增加，从5mAm^-2(2Hz)上升到16mAm^-2(10Hz)。根据之前已讨论的几何参数的优化情况，对于螺旋带状结构的摩擦纳米发电机，当总体尺寸变化时，其输出电荷量也会随之变化，但其电荷密度将保持不变。例如，对于摩擦纳米发电机的摩擦层的管径为3mm时，测量获得传输电荷量为45nC，电荷密度仍然保持约为250μCm^-2。对于受弯曲(Bending)力与扭曲(Twisting)力，见图9中d图和f图，摩擦纳米发电机所发生的形变类似于由局部按压引起的形变。当弯曲角度从45°变到180°，摩擦纳米发电机的电荷输出量从2nC增大到5.2nC(图9中e图)。当扭曲角度从90°变到270°，电荷量从2nC增大到6nC(图9中g图)。在受拉伸(Lengthening)力过程中，见图9中h图管长增大、管径减小并呈周期性变化。当拉伸强度从50％增大到150％，其电荷量从4nC增大到12.5nC(图9中i图)。

本发明提供的管状摩擦纳米发电机有着优异的稳定性，频率10Hz按压3百万次，其电荷密度依然保持不变，这种优异的特性使得管状摩擦纳米发电机可以有效的充当配套能量源，比如可把管状摩擦纳米发电机安装在鞋底或鞋内部做“能量鞋”。在鞋底或者鞋内安装摩擦纳米发电机时，摩擦层采用圆管状，内径为5-15mm。

另外，可以在布料中编织本发明提供的管状摩擦纳米发电机，作为布料的一部分，使用在人体运动时变形比较大的部位，可以收集人体运动的能量。摩擦层采用圆管状，内径为1-4mm。

为了保护管状摩擦纳米发电机，还可以在外电极层的外表面设置保护层，保护层可以采用绝缘柔性材料，例如可以为硅橡胶等柔性绝缘材料。连出电极层的导线后，保护层可以将管状结构的摩擦纳米发电机全部密封，进行了良好的封装，既而具备质量轻、防水性强以及抗腐蚀等优点，相比于传 统基于固态金属材料做成的可穿戴功率设备，该摩擦纳米发电机具有更佳的实用性。当浸没于水中多次摆动后，TENG依然保持250μCm^-2的输出电荷密度，并且从水中提出后手动敲击可以充分的点亮32个LED灯(图4和补充视频1)。当TENG被编织在鞋底或安全马甲上，在行走或敲击时，可以点亮衣料中LED灯的警示语，如“CAUTION”、“PASS”、以及“STOP"。实验中用手按压2个TENG给超级电容器充电，电位从0上升到70mV只需要70s，经计算其等价恒电流为1.4μA。通过敲击5个并联的TENG，可持续驱动一个温度/湿度测量计。这些实验结果都证明，本发明提供的摩擦纳米发电机可以作为可穿戴设备的电源使用。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。例如，各部件的形状、材质和尺寸的变化。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (19)

1.一种管状摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：

管状结构的摩擦层，所述摩擦层采用弹性材料；

在所述管状摩擦层外侧包覆的柔性外电极层；

一个柔性内电极层，为带状结构，所述柔性内电极层的外表面部分或全部附着在所述管状结构的摩擦层的内表面；

在外力作用后撤去外力，所述内电极层至少部分与所述摩擦层内表面接触后分离，在形变过程中所述内电极层与外电极层之间产生电荷流动。

2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述柔性内电极层的内表面的材料与摩擦层的内表面的材料存在得失电子能力差异。

3.根据权利要求1或2所述的发电机，其特征在于，所述柔性内电极层和/或所述柔性外电极层的材料为在绝缘材料中混合导电微米/纳米结构材料形成的可拉伸材料。

4.根据权利要求3所述的发电机，其特征在于，所述导电微米/纳米结构材料为碳基导电材料导电炭黑、碳纳米管、石墨烯或金属纳米颗粒。

5.根据权利要求3或4所述的发电机，其特征在于，所述在绝缘材料中混合炭黑和碳纳米管。

6.根据权利要求3-5任一项中所述的发电机，其特征在于，所述绝缘材料为硅橡胶或未硫化的橡胶。

7.根据权利要求1-6任一项中所述的发电机，其特征在于，所述内电极层的设置方向为长度延伸方向与管状结构的摩擦层的径向的夹角为θ，其中，0°＜θ＜90°。

8.根据权利要求1-6任一项中所述的发电机，其特征在于，所述内电极层的长度延伸方向与管状摩擦层的长度延伸方向一致。

9.根据权利要求7所述的发电机，其特征在于，所述摩擦层的内管径周长的一半D，条状内电极层的宽度为d，满足d＝D×sinθ。

10.根据权利要求1-7、9任一项中所述的发电机，其特征在于，所述内电极层的设置方向为长度延伸方向与管状摩擦层的径向的夹角为45°。

11.根据权利要求1-10任一项中所述的发电机，其特征在于，所述条状内电极层的宽度为2-8mm。

12.根据权利要求1-11任一项中所述的发电机，其特征在于，在未受外力时，所述摩擦层沿着径向的截面的形状为圆环状、椭圆环或不规则的环状。

13.根据权利要求1-12任一项中所述的发电机，其特征在于，所述摩擦层的材料为硅橡胶、未硫化的橡胶。

14.根据权利要求1-13任一项中所述的发电机，其特征在于，还包括包覆所述外电极层的保护层，所述保护层采用绝缘柔性材料。

15.根据权利要求14所述的发电机，其特征在于，所述保护层将所述外电极层、绝缘层和内电极层全部封装。

16.一种布料，其特征在于，包含权利要求1-15任一项中所述的管状摩擦纳米发电机。

17.根据权利要求16所述的布料，其特征在于，所述管状摩擦纳米发电机的摩擦层采用圆管状，内径为1-4mm。

18.一种能量鞋，其特征在于，在鞋底或者鞋内安装权利要求1-14任一项中所述的管状摩擦纳米发电机。

19.根据权利要求18所述的能量鞋，其特征在于，所述管状摩擦纳米发电机的摩擦层采用圆管状，内径为5-15mm。