CN106612078A - 以导电液体为电极的摩擦电发电机、发电方法和传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种以导电液体为电极的摩擦电发电机和发电方法，以及应用该发电机的传感器，摩擦电发电机的发电单元包括导电液体和包裹导电液体的聚合物层，导电液体与电极单元电连接，在外界机械能作用下，在导电液体和电极单元之间形成电势差，驱动电子在导电液体与电极单元之间往返运动，从而产生交变电流。该摩擦电发电机具有很高的形状适应性，并且还可以具有很高的拉伸性，可以制成任意形状和大小，如鞋垫状、坐垫状、手环状、床垫状等等，在体育运动、娱乐设施、建筑、生物产品、医疗、安全防护等领域具有很大的应用前景。

Description

以导电液体为电极的摩擦电发电机、发电方法和传感器

技术领域

本发明涉及能源收集器件，特别涉及一种以导电液体为电极的摩擦电发电机、发电方法和应用该发电机的传感器。

背景技术

目前有很多种能源收集器件，如利用太阳光来发电的太阳能发电机，利用温度差来发电的温差发电机，利用线圈切割磁力线来发电的发电机，利用压力变化来发电的压电发电机等等。摩擦电发电机利用摩擦效应和静电诱导效应，可以把极其微小的机械能转化为电能。水的运动、风的运动、日常生活中物体的振动，以及人体的运动等等都可以成为摩擦电发电机的动力源；同时，通过摩擦电发电机还可以作为自驱动传感器探测化学物质、运动等信号。随着可拉伸和可穿戴电子产品的飞速发展，可拉伸能源收集和供给器件的研发具有重要意义。目前已经有关于可拉伸和形状自适应能源收集器件的报道，但是这些器件具有比较有限的可拉伸性能和形状自适应性。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高的拉伸性和形状自适应的摩擦电发电机，克服现有技术中可拉伸器件的拉伸范围较小的缺点。

为实现上述目的，本发明提供一种以导电液体为电极的摩擦电发电机，包括：导电液体和聚合物层组成的发电单元，其中，所述导电液体位于聚合物层内部，所述导电液体电连接至电极单元。

优选的，所述电极单元为地电极、人体或大块金属导体；

当与所述聚合物层的材料的得失电子能力不同的物体与所述聚合物层接触分离时，在所述导电液体与所述电极单元之间形成电流。

优选的，所述电极单元包括一个金属层，或者镀在绝缘层一面上的金属电极，或者另一个所述发电单元的导电液体；

当电极单元与所述聚合物层接触分离时，在所述导电液体与所述电极单元之间形成电流。

优选的，包括两个所述发电单元，其中一个发电单元所含的导电液体为所述电极单元；

当与两个所述发电单元的聚合物层的材料的得失电子能力不同的物体在两个所述发电单元的聚合物层往复运动互相摩擦时，在两个所述发电单元的导电液体之间形成电流。

优选的，所述导电液体包括液态金属、液态合金、酸溶液、碱溶液、盐溶液、自来水、海水或纯净水。

优选的，所述聚合物层为弹性可变形结构，由可拉伸的柔性材料制成。

优选的，所述聚合物层为管道形状，所述导电液体在所述聚合物层形成的管道中流动或静止；

或者，所述聚合物层为首尾连接形成环形的管道形状，所述导电液体被封闭在所述聚合物层内。

优选的，所述聚合物层为直筒型、胶囊状、袋状或六面体形状，所述导电液体被封闭在所述聚合物层内。

优选的，所述袋状为鞋垫状、坐垫状；所述六面体形状为床垫状。

优选的，所述聚合物层的材料为硅橡胶、丁腈橡胶、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚酯、尼龙、聚氨酯弹性体或苯乙烯丙烯。

优选的，所述聚合物层的厚度为微米量级至厘米量级。

优选的，所述聚合物层的厚度为100-500微米。

优选的，所述绝缘体层的材料为硅橡胶、丁腈橡胶、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚酯、尼龙、聚氨酯弹性体或苯乙烯丙烯。

相应的，本发明还提供一种以导电液体为电极的摩擦电发电方法，应用上述任一项中的摩擦电发电机，将机械能转变为电能。

相应的，本发明还提供一种以导电液体为电极的传感器，包括上述任一项中所述的摩擦电发电机。

优选的，所述发电单元与所述电极单元之间连接有指示单元。

与现有技术相比，本发明所述的以导电液体为电极的摩擦电发电机的优点在于：

本发明提出以导电液体为电极的摩擦电发电机和发电方法，本发明提出的以导电液体为电极的摩擦电发电机的发电单元包括导电液体和包裹导电液体的聚合物层，该摩擦电发电机具有很高的形状适应性，并且还可以具有很高的拉伸性，可以制成任意形状和大小，如鞋垫状、坐垫状、手环状、床垫状等等。

通过选用具有高拉伸和高柔性的聚合物层来使以导电液体为电极的摩擦电发电机具有与聚合物层同步的高拉伸和高柔性，该摩擦电发电机具有很高的形状适应性，并且还可以具有很高的拉伸性，不仅可以用来收集能量，如可以作为可穿戴能源收集器件收集人体运动的能量，也可以作为自驱动传感器件探测人体运动等。

本发明的以导电液体为电极的摩擦电发电机和传感器，具有制备方法简单、器件尺寸和形状任意可调、可具备高度可拉伸性及柔性、高度形状适应性等优点，应用范围十分广泛：在体育运动、娱乐设施、建筑、生物产品、医疗、安全防护等领域具有很大的应用前景。

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。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明以导电液体为电极的摩擦电发电机的发电单元从纵截面剖开的结构示意图；

图2为实施例一的以导电液体为电极的摩擦电发电机的发电原理示意图；

图3为手环状以导电液体为电极的摩擦电发电机佩戴于人体的上臂检测胳膊的运动的测试数据曲线；

图4和图5为本发明以导电液体为电极的摩擦电发电机实施例二和三的结构示意图。

具体实施方式

目前已有的可拉伸和形状自适应能源收集器件，其拉伸性能和形状自适应性能比较有限，本发提供一种以导电液体为电极的摩擦电发电机，通过结构设计，选择具有高拉伸性和高柔性的聚合物层来，可以获得可拉伸性及柔性、高度形状适应性的发电机器件。

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。

实施例一：

本实施例中的以导电液体为电极的摩擦电发电机，包括：导电液体1和聚合物层2组成的发电单元，图1为发电单元从纵截面剖开的结构示意图，其中，导电液体1位于聚合物层2内部，导电液体1电连接至电极单元。

导电液体1可以通过导线穿过聚合物层与电极单元电连接。聚合物层的材料除使用硅橡胶外，还可以使用丁腈橡胶、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚丙乙烯、聚酯等等材料；导电液体可以为液态金属如液态镓、液态汞等，液态合金如液态镓铟合金等，也可以为导电溶液如酸溶液、碱溶液、盐溶液，也可以为自来水、海水、纯净水等等，也可以是几种导电液体的混合。

聚合物层2可以为弹性可变形结构，由可拉伸的柔性材料制成。当发电单元受到外力挤压或者拉伸时，可以随着外力发生形状变化。聚合物层2的厚度无特殊要求，可以为微米量级至厘米量级，优选为100-500微米。

聚合物层2的作用是用于容纳导电液体，可以为任意形状，例如可以为管道形状，也可以为胶囊状、袋状或六面体形状。

所述电极单元可以为地电极、人体或大块金属导体。当与聚合物层2的材料的得失电子能力不同的物体与聚合物层2接触分离时，在导电液体1与电极单元之间形成电流。这种结构的摩擦电发电机可以称为单电极工作模式的摩擦电发电机，其工作原理参见图2，以聚合物层为管道形状、电极单元为地电极、导电液体1在聚合物层2形成的管道中静止(即导电液体1密封包裹在聚合物层2中)的发电单元为例，当与包裹导电液体1的聚合物层2的材料的得失电子能力不同的物体M与聚合物层2接触时，聚合物层2和物体M将会因为摩擦而在两者表面产生极性相反的正负电荷，随着物体M与聚合物层2的不断接触和分离，由于静电感应，导电液体1(为一个电极)和地电极(为电极单元)之间的电势差发生变化，驱动电子在两个电极之间往返运动，从而产生交变电流。

聚合物层为管道形状的摩擦电发电机，该聚合物层的管道可以为上述两端封闭的管道，还可以为首尾连接形成环形的管道形状，将导电液体1封闭在聚合物层2内形成发电单元，例如可以作为手环可佩戴于人体手腕，利用人体为电极单元，收集拍打等能量。当物体(如人的手)拍打该手环状摩擦电发电机时，电子将会在导电液体电极和人体之间来回运动，产生交变电流。

以手环状摩擦电发电机为例，说明本发明的摩擦电发电机的制备过程，采用一端口的直筒型结构的聚合物层，将导电液体1注入一端开口的空心直筒状的聚合物外套层中，将导线浸入导电液体中，将聚合物层开口端封住并露出导线，最后，将聚合物层的两端连接，即得到手环状以导电液体为电极的摩擦电发电机，该摩擦电发电机电极单元为人体，也可以为地电极或者大块的金属导体等。

本发明提供的以导电液体为电极的摩擦电发电机也可以作为传感器，用于对微小机械能的传感，例如，该手环状以导电液体为电极的摩擦电发电机佩戴于人体的上臂(围绕肱二头肌)，用来检测胳膊的运动，参见图3。当弯曲胳膊时，人体的肱二头肌收缩使得上臂围长增大；伸展胳膊时人体的肱二头肌舒张使得上臂围长减小。这种人体身体的变化使得佩戴的手环状摩擦电发电机与人体上臂的接触面积周期性变化，从而使得导电液体电极和电极单元(如地电极)之间电势差变化，驱动电子在导电液体电极和电极单元之间运动。图3中显示的测试结果证实，弯曲胳膊的角度不同使得接触面积的变化差异不同，从而导电液体电极和地电极之间电势差变化大小不同，两电极之间传输的电荷量大小不同或者电流大小不同(相同弯曲速度时比较)，从而可以根据所得电信号探测弯曲胳膊角度的大小。另外在相同弯曲角度时，弯曲胳膊的速率大小会导致不同的电流大小，从而可以根据所测得的电流信号探测弯曲胳膊的速率。

聚合物层2也可以为两端开口的管道形状，导电液体可以在聚合物层2形成的管道中流动。例如，聚合物层作为输水管道，可以利用日常生活中传输水管道收集拍打等能量。

本发明提供的摩擦电发电机制备工艺简单、材料方便获得，而且器件尺寸可以根据实际需要进行任意裁剪，采用本发明提供的摩擦电发电机用于发电或者传感操作方便，可以在娱乐设施、体育运动、安全防护、触觉传感、建筑、生物电子等领域具有广泛的应用前景。

实施例二：

本实施例的以导电液体为电极的摩擦电发电机，发电单元与实施例一中的发电单元相同，不同之处在于，电极单元可以包括一个金属层，或者镀在绝缘层一面的金属电极，或者另一个所述发电单元的导电液体，当电极单元与聚合物层2接触分离时，在导电液体1与电极单元之间形成电流。需要电极单元与发电单元接触的材料与发电单元聚合物层的材料的得失电子能力不同。这种结构为附属电极工作模式的摩擦电发电机。

电极单元包括一面镀有金属电极3的绝缘层4，导电液体1与金属电极3电连接，参见图4中a图。发电单元与电极单元不断接触和分离，即聚合物层2与绝缘层4的不断接触和分离，导致导电液体1和金属电极3之间的电势差发生变化，驱动电子在导电液体1和金属电极3之间往返运动，从而产生交变电流。

绝缘体层4的材料可以为硅橡胶、丁腈橡胶、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚酯、尼龙、聚氨酯弹性体或苯乙烯丙烯等就聚合物材料，也可以为其他无机绝缘材料。

电极单元包括一个金属层的情况参见图4中b图，导电液体1与金属层5电连接，发电单元与金属层5(电极单元)不断接触和分离，导致导电液体1和金属层5之间的电势差发生变化，驱动电子在导电液体1和金属层5之间往返运动，从而产生交变电流。

电极单元包括另一个实施例一中的发电单元的情况，与上述两种情况类似，只要满足两个发电单元的聚合物层的材料的得失电子能力不同即可，互相接触分离时，可以在两个发电单元的导电液体之间产生交变电流。

实施例三：

本实施例中，包括两个实施例一中所述的发电单元，其中一个为电极单元，参见图5，当与两个发电单元的聚合物层的材料的得失电子能力不同的物体6在两个发电单元的聚合物层往复运动互相摩擦时，在两个发电单元的导电液体之间形成电流。这种结构的发电机为自由运动式摩擦电发电机。

本实施例的发电机的工作过程为，当物体6在两个并排放置(接触或不接触)发电单元表面周期性往返运动时，两个导电液体电极之间的电势差发生变化，驱动电子在两个导电液体电极之间往返运动，从而产生交变电流。

实施例四：

以导电液体为电极的摩擦电发电机中，聚合物层为袋状的鞋垫，将其放置在鞋内或者鞋底，利用人体作为电极单元，便可以收集人体走路的能量。当鞋子随着人体的走路而周期性离开和接触地面时，导电液体电极和电极单元之间电势差周期性变化，驱动电子在两个电极之间运动，产生交变电流。

另外，还可以在导电单元与电极单元之间设置指示单元，例如LED灯、无线发射元件、便携式可穿戴元件等。例如，将导电液体电极接于一串顺次串联的LED灯某个结点，地电极接于另一个结点，那么人体脚抬起和落下导致的电子在两电极之间的往返运动将会使得这一串LED灯分两组被分别周期性点亮：一组LED灯在脚抬起时被点亮，另一组在脚落下时被点亮，从而自驱动监测了脚的运动情况。

在其他实施例中，以导电液体为电极的摩擦电发电机中，聚合物层还可以为袋状结构，例如坐垫。聚合物层还可以为六面体形状，例如制作成床垫形状；作为可发电的床垫用来收集人体能量，也可放置于沙滩等场所上作为可发电的娱乐设施。

相应的，本发明还提供应用上述实施例中发电机的发电方法，可以采用形状可以变化的发电单元将机械能转变为电能。

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 (16)

1.一种以导电液体为电极的摩擦电发电机，其特征在于，包括：导电液体和聚合物层组成的发电单元，其中，所述导电液体位于聚合物层内部，所述导电液体电连接至电极单元。

2.根据权利要求1所述的摩擦电发电机，其特征在于，所述电极单元为地电极、人体或大块金属导体；

当与所述聚合物层的材料的得失电子能力不同的物体与所述聚合物层接触分离时，在所述导电液体与所述电极单元之间形成电流。

3.根据权利要求1所述的摩擦电发电机，其特征在于，所述电极单元包括一个金属层，或者镀在绝缘层一面上的金属电极，或者另一个所述发电单元的导电液体；

当电极单元与所述聚合物层接触分离时，在所述导电液体与所述电极单元之间形成电流。

4.根据权利要求1所述的摩擦电发电机，其特征在于，包括两个所述发电单元，其中一个发电单元所含的导电液体为所述电极单元；

当与两个所述发电单元的聚合物层的材料的得失电子能力不同的物体在两个所述发电单元的聚合物层往复运动互相摩擦时，在两个所述发电单元的导电液体之间形成电流。

5.根据权利要求1-4任一项中所述的摩擦电发电机，其特征在于，所述导电液体包括液态金属、液态合金、酸溶液、碱溶液、盐溶液、自来水、海水或纯净水。

6.根据权利要求1-5任一项中所述的摩擦电发电机，其特征在于，所述聚合物层为弹性可变形结构，由可拉伸的柔性材料制成。

7.根据权利要求1-6任一项中所述的摩擦电发电机，其特征在于，所述聚合物层为管道形状，所述导电液体在所述聚合物层形成的管道中流动或静止；

或者，所述聚合物层为首尾连接形成环形的管道形状，所述导电液体被封闭在所述聚合物层内。

8.根据权利要求1-6任一项中所述的摩擦电发电机，其特征在于，所述聚合物层为直筒型、胶囊状、袋状或六面体形状，所述导电液体被封闭在所述聚合物层内。

9.根据权利要求8所述的摩擦电发电机，其特征在于，所述袋状为鞋垫状、坐垫状；所述六面体形状为床垫状。

10.根据权利要求1-9任一项中所述的摩擦电发电机，其特征在于，所述聚合物层的材料为硅橡胶、丁腈橡胶、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚酯、尼龙、聚氨酯弹性体或苯乙烯丙烯。

11.根据权利要求1-10任一项中所述的摩擦电发电机，其特征在于，所述聚合物层的厚度为微米量级至厘米量级。

12.根据权利要求11所述的摩擦电发电机，其特征在于，所述聚合物层的厚度为100-500微米。

13.根据权利要求3所述的摩擦电发电机，其特征在于，所述绝缘体层的材料为硅橡胶、丁腈橡胶、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚酯、尼龙、聚氨酯弹性体或苯乙烯丙烯。

14.一种以导电液体为电极的摩擦电发电方法，其特征在于，应用权利要求1-13任一项中的摩擦电发电机，将机械能转变为电能。

15.一种以导电液体为电极的传感器，其特征在于，包括权利要求1-13任一项中所述的摩擦电发电机。

16.根据权利要求15所述的传感器，其特征在于，所述发电单元与所述电极单元之间连接有指示单元。