CN107482950B - 一种多层电极叠加的微型摩擦纳米发电机 - Google Patents

Abstract

一种多层电极叠加的微型摩擦纳米发电机(TENG)，由上摩擦极板、下摩擦极板及其各自背负的多层电极组成。上摩擦极板以表面粗糙的硅胶片作为得电子摩擦材料，下摩擦极板以表面蚀刻的聚左旋乳酸(PLLA)/氧化镁(MgO)晶须复合薄膜作为失电子摩擦材料。本发明的优点是：在一定的尺寸(4cm×4cm)范围内，利用电场的边缘效应，通过增加电极的数量，由层层电极叠加方式有效增强TENG的输出电流,且制备方法简单，易于满足微型化的要求。

Description

一种多层电极叠加的微型摩擦纳米发电机

技术领域：

本发明属于纳米发电机领域，涉及将机械能转变成电能的微型发电模式，特别是一种利用电场的边缘效应，通过增加电极的数量来提高其输出性能的微型摩擦纳米发电机(TENG)。

背景技术：

摩擦起电是一种生活中很常见的现象，古希腊人和古代中国人发现摩擦后的琥珀能够吸引小而轻的物体。由于这种电能产生的随机性和存储问题，使之一直被视为无用的能源而未能得以发展，并且由于其存在的负面影响，人们一直在寻找和改进怎样去避免和消除它的方法。近年来，随着材料制备技术的进步，收集和存储环境中“无用”的能量，使之成为小型电子设备的能源已经成为可能。随着2006年美国佐治亚理工学院王中林教授发明的纳米发电机的问世，它完全颠覆了人们对传统电磁发电模式的认识，利用压电效应、热电效应、热释电效应、光电效应、摩擦起电效应等产生电能，从而实现了环境中的各种能量向电能的高效转化。这一具有划时代和颠覆性意义的能源技术与传统的发电模式相比，具有完全不同的发电原理和工作模式，成为具有互补特色的绿色能源。其中，TENG更以其结构简单，易于大规模工业化生产而显示了广阔的应用前景。

一直以来，研究者们普遍认为影响TENG输出性能的关键因素是摩擦材料的种类及其表面状态。近年来，包括申请人在内的一些课题组探索不同的对摩材料，尝试通过摩擦材料的表面图案化、纳米化和化学改性，或者通过增加摩擦极板的数目来提高TENG的输出功率。

在表面图案化方面，研究者设计一些微纳米尺寸椎体、圆柱体图案的表面结构来增加摩擦极板相互接触的摩擦面积，使其增加了摩擦电荷数量，从而提高了其输出性能。在化学改性方面，对于不同的低聚合物进行表面化学改性，包括表面氟化处理，离子注入，顺序渗透合成和分子靶向功能化等，这些都通过提高摩擦聚合物的表面电荷密度来提高TENG的输出性能。而机械地增加摩擦极板的数量就相当于增加了相对摩擦面积，因而其产生的电荷量也会增加。并且，随着摩擦极板数的增多，其输出性能也会持续增强。然而，进行表面纳米化或者化学改性等的技术后采取的增加摩擦极板的数目或者增大摩擦面积的方法，虽然增大TENG输出功率的效果明显，但制作工艺过程比较繁杂、工作量大，而且要达到一定的电流电压可能需要比较大的摩擦面积。

本着TENG微型化的思想，为了在摩擦面积不变的前提下有效提高TENG的功率，我们进行了大量的研究。

发明内容：

本发明的目的是解决目前通过增加摩擦面积来提高其输出电流时装置体积比较大的问题，利用电场的边缘效应，提出一种新的多层电极叠加的微型摩擦纳米发电机，通过增加电极的数目来增强微型TENG输出性能的方法，该结构的TENG，不仅所需材料少，制作简单，更微型化，而且对TENG输出功率的改善十分有效。

本发明的技术方案：

一种多层电极叠加的微型摩擦纳米发电机(TENG)，由上摩擦极板、下摩擦极板及其各自背负的多层电极组成。上摩擦极板由表面粗糙的硅胶片作为得电子摩擦材料，相对分子质量为60.08，尺寸为：长10-40mm、宽10-40mm、厚0.1-0.3mm。下摩擦极板以表面蚀刻的聚左旋乳酸(PLLA)/氧化镁(MgO)晶须复合薄膜作为失电子摩擦材料,其中PLLA相对分子质量为48-73万,尺寸与上极板相同；MgO晶须相对分子质量为40.3，直径0.1-1.0μm,长5-100μm。两摩擦极板上背负的电极均为长10-40mm，宽10-40mm，厚0.04mm的铝箔(即上摩擦极板、下摩擦极板及背负电极形状大小相同)，电极数量为N，N﹥1，摩擦极板与电极之间、以及电极与电极之间用厚0.05-0.08mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)双面胶密实粘连并相互隔离开。

一种所述的多层电极叠加的微型摩擦纳米发电机的制备方法，步骤如下：

(一)上摩擦极板的制备

将市售的厚0.1-0.3mm的硅胶片用3000目硅碳砂纸沿硅胶片表面两相互垂直方向轻轻打磨，直到不再透明为止，然后裁剪成长10-40mm、宽10-40mm的薄片，用清洗剂反复洗涤去掉表面油污后，超声水洗10-15min,再用去离子水和无水乙醇反复清洗，吹风机冷风吹干；

(二)下摩擦极板的制备

1)将PLLA颗粒和有机溶剂二氯甲烷按照质量比为1：30-35的比例置于直径100mm，高20mm的平底培养皿中，加入相对于PLLA质量为1％-1.5％的MgO晶须，在常温条件下磁力搅拌均匀，直至获得颜色均一的胶体；其中，二氯甲烷的相对分子质量为84.93，纯度为99.5％-99.9％，密度为1.320-1.330g/ml；

2)把步骤1)中放置有均一胶体的培养皿用保鲜膜密封放置在通风橱内1-2天，待二氯甲烷蒸发完全，再静置12-24h；取出已经成膜的PLLA/MgO复合薄膜，裁剪成长10-40mm，宽10-40mm，厚0.1-0.3mm的薄片；

3)将PLLA/MgO薄片用洗洁精洗刷3-5遍，再分别用酒精和去离子水超声清洗3-5min后，吹风机冷风吹干；

4)将洁净的PLLA/MgO薄片放于15-20mol/L的NaOH水溶液中，35-45℃真空干燥箱放置蚀刻15-20min后，取出薄膜用去离子水超声清洗干净，吹风机冷风吹干；

(三)多层电极叠加的微型摩擦纳米发电机的组装

1)在上摩擦极板硅胶片光滑侧用厚度0.05-0.08mm的PET双面胶密实粘连一层铝箔，再用PET双面胶在第一层铝箔之上密实粘连一层铝箔，注意铝箔与铝箔之间的PET双面胶一定要密实粘连，防止铝箔层与铝箔层之间相互接触；如此重复下去，总计加上N层铝箔作为电极，其中N≥1，每一层铝箔用导线并联起来；

2)在下摩擦极板PLLA/MgO薄片未蚀刻面用PET双面胶密实粘连一层铝箔，处理过程都与步骤(三)1)相同，如此重复下去，总计加上N层铝箔作为电极，其中N≥1，每一层铝箔用导线并联起来；

3)连接上下摩擦极板的两个并联的导线，形成电路。制得多层电极叠加的微型TENG。

本发明的优点是：

该基于摩擦起电、静电感应和电场边缘效应的微型TENG，通过叠加电极来代替增加摩擦极板，其更微型化并大大降低了制备过程的繁杂，而且在PLLA中加入一定量的MgO晶须可以增强PLLA的韧性，大大延长其使用寿命。

【附图说明】

图1为多层(以4层为例)电极叠加的微型TENG的结构示意图。

图中：1.是电极层,2.是PET双面胶带,3.是硅胶薄片层(上摩擦极板),4.是PLLA/MgO复合薄膜层(下摩擦极板)。

图2为两个平行带电板之间的电场和边缘电场示意图。

图3为多层(以2层为例)电极叠加的微型TENG的增强电流的原理示意图。

图4为尺寸1cm×1cm的摩擦纳米发电机在不同叠加电极数目时的电压大小变化。

图5为尺寸1cm×1cm的摩擦纳米发电机在不同叠加电极数目时的电流大小变化。

图6为尺寸4cm×4cm的摩擦纳米发电机在不同叠加电极数目时的电压大小变化。

图7为尺寸4cm×4cm的摩擦纳米发电机在不同叠加电极数目时的电流大小变化。

图中：N指叠加电极层的数目，1cm×1cm和4cm×4cm为摩擦纳米发电机的尺寸大小。

【具体实施方式】

以下所说明的具体实例旨在详细解读本发明的客观用途和为了使读者有直观的理解。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，以便本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。

实施例一：

一种多层电极叠加的微型摩擦纳米发电机(TENG)，如图1所示，是在通常制备好的微型摩擦纳米发电机的电极上背负叠加多层电极组成，由上摩擦极板3和下摩擦极板4及其各自背负的多层电极1组成。上摩擦极板由表面经3000目的碳硅砂纸磨花后粗糙的硅胶片作为得电子摩擦材料，相对分子质量为60.08，尺寸为：长10mm、宽10mm、厚0.1mm。下摩擦极板以15mol/L的氢氧化钠蚀刻的聚左旋乳酸(PLLA)/氧化镁(MgO)晶须复合薄膜作为失电子摩擦材料,其中PLLA相对分子质量为48万,尺寸与上极板相同；MgO晶须相对分子质量为40.3，直径0.1μm,长5μm。两极板的电极均为长10mm，宽10mm，厚0.04mm的铝箔(即上摩擦极板、下摩擦极板及背负电极形状大小相同)，各摩擦极板上的电极数量均为4，其电极与电极之间用厚0.05mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)双面胶2密实粘连并相互隔离开。

上述的多层电极叠加的微型摩擦纳米发电机的制备方法，步骤如下：

(一)上摩擦极板的制备

将市售的厚0.2mm的硅胶片用3000目硅碳砂纸沿硅胶片表面两相互垂直方向轻轻打磨，直到不再透明为止，然后裁剪成长10mm、宽10mm的薄片，用清洗剂反复洗涤去掉表面油污后，超声水洗10min,再用去离子水和无水乙醇反复清洗，吹风机冷风吹干；

(二)下摩擦极板的制备

1)将PLLA颗粒和有机溶剂二氯甲烷按照质量比为1：30的比例置于直径100mm，高20mm的平底培养皿中，加入相对于PLLA质量为1％的MgO晶须，在常温条件下磁力搅拌均匀，直至获得颜色均一的胶体；其中，二氯甲烷的相对分子质量为84.93，纯度为99.5％，密度为1.320g/ml；

2)把步骤1)放置有均一胶体的培养皿用保鲜膜密封放置在通风橱内1天，待二氯甲烷蒸发完全，再静置12h；取出已经成膜的PLLA/MgO复合薄膜，裁剪成长10mm，宽10mm，厚0.1mm的薄片。

3)将PLLA/MgO薄片用洗洁精洗刷3遍，再分别用酒精和去离子水超声清洗3min后，吹风机冷风吹干；

4)将洁净的PLLA/MgO薄片放于15mol/L的NaOH水溶液中，35℃真空干燥箱放置蚀刻15min后，取出薄膜用去离子水超声清洗干净，吹风机冷风吹干；

(三)多层电极叠加的微型摩擦纳米发电机的组装

1)在上摩擦极板硅胶片光滑侧用厚度0.05mm PET双面胶密实粘连一层铝箔，再用PET双面胶在第一层铝箔之上密实粘连一层铝箔，注意铝箔与铝箔之间的PET双面胶一定要密实粘连，防止铝箔层与铝箔层之间相互接触；如此重复下去，总计加上4层铝箔作为电极，每一层铝箔用导线并联起来；

2)在下摩擦极板PLLA/MgO薄片未蚀刻面用PET双面胶密实粘连一层铝箔，处理过程都与步骤(三)1)相同，如此重复下去，总计加上4层铝箔作为电极，每一层铝箔用导线并联起来；

3)连接上下摩擦极板的两个并联的导线，形成电路。制得4层电极叠加的微型TENG。

由测试结果(图4，图5)知道，当电极层为1层时，电流大小约为2.3μA，2层时约为4.63μA，4层时约为7.66μA，8层时约为12.54μA，12层时约为12.67μA，分别大约为1层时电流的2，3.5，5.5，和5.5倍，即随着叠加的电极层数目的增加，各电极的输出电流叠加起来，从而增加了输出电流的大小；而随着叠加的电极层数目的增加，电压却几乎稳定在16.37V，则是由于电极并联的缘故。

实施例二：

一种多层电极叠加的微型摩擦纳米发电机(TENG)，如图1所示，是在通常制备好的摩擦纳米发电机的电极上背负叠加多层电极组成，由上摩擦极板3和下摩擦极板4及其各自背负的多层电极1组成。上摩擦极板由表面经3000目的碳硅砂纸磨花后粗糙的硅胶片作为得电子摩擦材料，相对分子质量为60.08，尺寸为：长40mm、宽40mm、厚0.3mm。下摩擦极板以20mol/L的氢氧化钠蚀刻的聚左旋乳酸(PLLA)/氧化镁(MgO)晶须复合薄膜作为失电子摩擦材料,其中PLLA相对分子质量为73万,尺寸与上极板相同；MgO晶须相对分子质量为40.3，直径1μm,长100μm。两极板的电极均为长40mm，宽40mm，厚0.04mm的铝箔(即上摩擦极板、下摩擦极板及背负电极形状大小相同)，各摩擦极板上的电极数量均为4，其电极与电极之间用厚0.08mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)双面胶2密实粘连并相互隔离开。

上述的多层电极叠加的微型摩擦纳米发电机的制备方法，步骤如下：

(一)上摩擦极板的制备

将市售的厚0.2mm的硅胶片用3000目硅碳砂纸沿硅胶片表面两相互垂直方向轻轻打磨，直到不再透明为止，然后裁剪成长40mm、宽40mm的薄片，用清洗剂反复洗涤去掉表面油污后，超声水洗15min,再用去离子水和无水乙醇反复清洗，吹风机冷风吹干；

(二)下摩擦极板的制备

1)将PLLA颗粒和有机溶剂二氯甲烷按照质量比为1：35的比例置于直径100mm，高20mm的平底培养皿中，加入相对于PLLA质量为1.5％的MgO晶须，在常温条件下磁力搅拌均匀，直至获得颜色均一的胶体；其中，二氯甲烷的相对分子质量为84.93，纯度为99.9％，密度为1.330g/ml；

2)把步骤1)放置有均一胶体的培养皿用保鲜膜密封放置在通风橱内2天，待二氯甲烷蒸发完全，再静置24h；取出已经成膜的PLLA/MgO复合薄膜，裁剪成长40mm，宽40mm，厚0.3mm的薄片。

3)将PLLA/MgO薄片用洗洁精洗刷5遍，再分别用酒精和去离子水超声清洗5min后，吹风机冷风吹干；

4)将洁净的PLLA/MgO薄片放于20mol/L的NaOH水溶液中，45℃真空干燥箱放置蚀刻20min后，取出薄膜用去离子水超声清洗干净，吹风机冷风吹干；

(三)多层电极叠加的微型摩擦纳米发电机的组装

1)在上摩擦极板硅胶片光滑侧用厚度0.08mm PET双面胶密实粘连一层铝箔，再用PET双面胶在第一层铝箔之上密实粘连一层铝箔，注意铝箔与铝箔之间的PET双面胶一定要密实粘连，防止铝箔层与铝箔层之间相互接触；如此重复下去，总计加上4层铝箔作为电极，每一层铝箔用导线并联起来；

2)在下摩擦极板PLLA/MgO薄片未蚀刻面用PET双面胶密实粘连一层铝箔，处理过程都与步骤(三)1)相同，如此重复下去，总计加上4层铝箔作为电极，每一层铝箔用导线并联起来；

3)连接上下摩擦极板的两个并联的导线，形成电路。制得4层电极叠加的微型TENG。

由测试结果(图6，图7)知道，当电极层为1层时，电流大小约为20.31μA，2层时约为39.99μA，4层时约为60.12μA，8层时约为68.87μA，12层时约为69.67μA，分别大约为1层时电流的2，3，3.5，和3.5倍，即随着叠加的电极层数目的增加，各电极的输出电流叠加起来，从而增加了输出电流的大小；而随着叠加的电极层数目的增加，电压却几乎稳定在78.64V，则是由于电极并联的缘故。

本发明的工作机理：参见图2、图3

图2为两个平行带电板之间的电场和边缘电场的示意图。图3为一种多层电极叠加的微型TENG的作用机理示意图。在初始状态，因上下摩擦极板没有发生摩擦，因而没有摩擦电荷和电势的存在(图3a)。当有外力施加到该装置时，被磨花处理的硅胶薄片和被蚀刻的PLLA/MgO复合薄膜发生摩擦时，由于摩擦电极性的差别，得电子能力强的硅胶薄片将从得电子能力弱的PLLA/MgO复合薄膜上吸引电子，从而使得两个接触面带上等量异号的电荷，即摩擦电荷(图3b)。根据物理学理论，两带电理想平行板之间的电场是相对均匀的，电场线几乎是均匀分布的平行。电场线在接近边缘时变得弯曲，并且越靠近边缘，它们就变得越弯曲，这就叫做边缘效应(图3b-e)；且在一定的间隙范围内，随着间隙的增大，其边缘效应越来越强，其产生的边缘弯曲的电场越来越强。由于摩擦起电和静电感应效应之间的耦合，PLLA薄片背负的第一电极层上将带负电荷，当外力减小，接触表面会逐渐分离(图3b)，由于分离过程中边缘电场强度的逐渐增加，除了第一层电极层外，其他电极层的电子将逆着电场线的方向向下层对应的电极层移动，电流将通过外部电路从底部电极层到顶部电极层。带负电荷的硅橡胶片及其自身的电极层具有相同的机理。当上下摩擦极板分离到最大距离，电流减小到零，此时达到静电平衡状态(图3d)。当再次施加外力时，由于第一电极层的静电平衡被破坏，电子将从底部电极层向顶部电极层移动；而对于其它电极层，由于两个带电平行摩擦板的边缘电场开始减小，电子将从底部电极层向顶部电极层移动，电流将通过外部电路从顶部电极层到底部电极层(图3e)。最后，当这两个摩擦面又相互接触以及此时较弱的电场边缘效应，又达到了静电平衡状态(图3b),此时外部电路中没有电流通过。应注意的是，上下电极分别用外部铜线并联，然后连接上下导线。随着叠加的电极层数目的增加，各电极的输出电流叠加起来，从而增加了输出电流的大小，当上下摩擦材料之间的距离一定时，叠加的电极层的厚度超出最高处边缘电场的弯曲高度时，最外层的电极层不再受到边缘电场作用，此时，再增加电极层数目，电流也不会再增大；而随着叠加的电极层数目的增加，电压却几乎稳定，则是由于电极并联的缘故。通过上下摩擦极板连续的接触和分离，不断地产生电流。这是一个全周期的发电过程。

Claims (2)

1.一种多层电极叠加的微型摩擦纳米发电机(TENG)，其特征在于：由上摩擦极板、下摩擦极板及其各自背负的多层电极组成；上摩擦极板由表面粗糙的硅胶片作为得电子摩擦材料，硅胶相对分子质量为60.08，尺寸为：长10-40mm、宽10-40mm、厚0.1-0.3mm；下摩擦极板以表面蚀刻的聚左旋乳酸(PLLA)/氧化镁(MgO)晶须复合薄膜作为失电子摩擦材料,其中PLLA相对分子质量为48-73万,尺寸与上摩擦极板相同；MgO晶须相对分子质量为40.3，直径0.1-1.0μm,长5-100μm；两摩擦极板上背负的电极均为长10-40mm，宽10-40mm，厚0.04mm的铝箔，即上摩擦极板、下摩擦极板及背负电极形状大小相同，电极数量为N，N＞1，摩擦极板与电极之间、以及电极与电极之间用厚0.05-0.08mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)双面胶密实粘连并相互隔离开。

2.权利要求1所述多层电极叠加的微型摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于步骤如下：

(一)上摩擦极板的制备

将市售的厚0.1-0.3mm的硅胶片用3000目硅碳砂纸沿硅胶片表面两相互垂直方向轻轻打磨，直到不再透明为止，然后裁剪成长10-40mm、宽10-40mm的薄片，用清洗剂反复洗涤去掉表面油污后，超声水洗10-15min,再用去离子水和无水乙醇反复清洗，吹风机冷风吹干；

(二)下摩擦极板的制备

1)将PLLA颗粒和有机溶剂二氯甲烷按照质量比为1：30-35的比例置于直径100mm、高20mm的平底培养皿中，加入相对于PLLA质量为1％-1.5％的MgO晶须，在常温条件下磁力搅拌均匀，直至获得颜色均一的胶体；其中，二氯甲烷的相对分子质量为84.93，纯度为99.5％-99.9％，密度为1.320-1.330g/ml；

2)把步骤1)中放置有均一胶体的培养皿用保鲜膜密封放置在通风橱内1-2天，待二氯甲烷蒸发完全，再静置12-24h；取出已经成膜的PLLA/MgO复合薄膜，裁剪成长10-40mm，宽10-40mm，厚0.1-0.3mm的薄片；

3)将PLLA/MgO薄片用洗洁精洗刷3-5遍，再分别用酒精和去离子水超声清洗3-5min后，吹风机冷风吹干；

4)将洁净的PLLA/MgO薄片放于15-20mol/L的NaOH水溶液中，35-45℃真空干燥箱放置蚀刻15-20min后，取出薄膜用去离子水超声清洗干净，吹风机冷风吹干；

(三)多层电极叠加的微型摩擦纳米发电机的组装

1)在上摩擦极板硅胶片光滑侧用厚度0.05-0.08mm的PET双面胶密实粘连一层铝箔，再用PET双面胶在第一层铝箔之上密实粘连一层铝箔，注意铝箔与铝箔之间的PET双面胶一定要密实粘连，防止铝箔层与铝箔层之间相互接触；如此重复下去，总计加上N层铝箔作为电极，其中N＞1，每一层铝箔用导线并联起来；

2)在下摩擦极板PLLA/MgO薄片未蚀刻面用PET双面胶密实粘连一层铝箔，处理过程都与步骤(三)1)相同，如此重复下去，总计加上N层铝箔作为电极，其中N＞1，每一层铝箔用导线并联起来；

3)连接上下摩擦极板的两个并联的导线，形成电路；制得多层电极叠加的微型摩擦纳米发电机。