CN107769352A - 一种透明充电薄膜及移动设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种透明充电薄膜及移动设备。该透明充电薄膜包括：透明柔性摩擦纳米发电机以及透明柔性超级电容；其中，透明柔性摩擦纳米发电机包括：两个感应电极，以及分别与两个感应电极连接的两个输出电极，还包括覆盖在感应电极上的透明柔性摩擦层；透明柔性超级电容包括两个叉指电极结构，每个叉指电极结构包括集流体层，以及设置在所述集流体层上的三维金属/二氧化锰纳米复合材料层。在上述技术方案中，通过采用透明柔性摩擦纳米发电机进行发电，提高了透明柔性超级电容的充电效果，此外，该透明柔性超级电容采用三维金属/二氧化锰纳米复合材料制作的电极，增大了透明柔性超级电容的比电容，进而提高透明柔性超级电容的存储电量。
Description
技术领域
本发明涉及到移动设备的技术领域，尤其涉及到一种透明充电薄膜及移动设备。
背景技术
随着便携式、可穿戴电子设备在当今生活中变得越来越重要，对透明柔性电子学器件提出了更高的要求，比如为了实现柔性显示器的产品化，其能量供应部件也需要透明化和柔性化。超级电容器作为一种新型的储能器件，具有高比电容、高功率密度和长循环使用寿命，而被广泛的研究。
传统超级电容器充电电源的来源单一，不能实现自充电，故其使用产生了一定的局限性。而且，目前报道的透明柔性超级电容器很难同时保证高透光度和大比电容。
发明内容
本发明提供了一种透明充电薄膜及移动设备，用于提高电容的充电来源，提高能量的利用。
本发明提供了一种透明充电薄膜，该透明充电薄膜包括：透明柔性摩擦纳米发电机以及透明柔性超级电容；其中，
所述透明柔性摩擦纳米发电机包括：第一感应电极及第二感应电极，与所述第一感应电极连接的第一输出电极、与所述第二感应电极连接的第二输出电极，还包括覆盖在所述第一感应电极和第二感应电极上的透明柔性摩擦层；
所述透明柔性超级电容为叉指型电容，所述叉指型电容包括两个叉指电极结构，每个叉指电极结构包括集流体层，以及设置在所述集流体层上的三维金 属/二氧化锰纳米复合材料层。
在上述技术方案中，通过采用透明柔性摩擦纳米发电机进行发电，提高了透明柔性超级电容的充电效果，此外，该透明柔性超级电容采用三维金属/二氧化锰纳米复合材料制作的电极，增大了透明柔性超级电容的比电容。进而提高透明柔性超级电容的存储电量。
在一个具体的实施方案中，所述第一感应电极的个数为多个，所述第二感应电极的个数为多个，且所述第一感应电极及第二感应电极交叉设置呈阵列方式排列。从而采用交叉设置的方式，提高了摩擦发电的效率。
更进一步的，所述第一感应电极和第二感应电极采用矩形阵列方式排列，沿所述第一感应电极及第二感应电极的任意排列方向，所述第一感应电极及所述第二感应电极均交叉设置。即在摩擦的任意方向，均可以通过感应电极接收到产生电能，提高了摩擦发电的效果。
在具体连接时，位于同一斜线上的第一感应电极串联后与所述第一输出电极连接，位于同一斜线上的第二感应电极串联后与所述第二输出电极连接。
其中的输出电极在具体设置时，所述第一输出电极和第二输出电极均为L形结构，且所述第一输出电极和第二输出电极围成框形环绕在所述第一感应电极和第二感应电极排列的阵列外侧。
优选的，所述透明柔性超级电容还包括包裹所述叉指电极结构的固态电解质。
优选的，所述叉指电极结构的叉指的线宽为10～30μm。
优选的，每个叉指电极结构上的相邻的叉指的间距为70～90μm。
在具体设置时，该透明充电膜还包括透明柔性基板，所述透明柔性超级电容设置在所述透明柔性基板上，所述透明柔性摩擦纳米发电机设置在所述透明柔性超级电容上。
在一个优选的方案中，还包括充电电路模块，所述第一输出电极和所述第二输出电极分别与所述充电电路模块连接，且所述透明柔性超级电容的两个极 板分别与所述充电电路模块连接。
本发明还提供了一种移动设备，该移动设备包括上述任一项所述的透明充电薄膜。
在上述实施方案中，通过采用透明柔性摩擦纳米发电机进行发电，提高了透明柔性超级电容的充电效果，此外，该透明柔性超级电容采用三维金属/二氧化锰纳米复合材料制作的电极，增大了透明柔性超级电容的比电容。进而提高透明柔性超级电容的存储电量。进而提高了移动终端的充电效果。
附图说明
图1为本发明实施例提供的透明充电薄膜的结构框图；
图2为本发明实施例提供的透明充电薄膜的结构框图；
图3为本发明实施例提供的透明充电薄膜的剖视图；
图4为本发明实施例提供的透明柔性摩擦纳米发电机的感应电极排列示意图；
图5为本发明实施例提供的透明柔性超级电容的俯视图；
图6为本发明实施例提供的透明柔性超级电容的剖视图；
图7为本发明实施例提供的透明柔性超级电容的阵列排列示意图。
附图标记：
10-透明柔性超级电容 11-第一集流体层 12-第一电极
13-透明柔性基板 14-固态电解质 15-第二电极 16-第二集流体层
20-充电电路模块 30-透明柔性摩擦纳米发电机 31-透明柔性摩擦层
32-第一输出电极 33-第一感应电极 34-第二感应电极
35-第二输出电极
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发 明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1及图2所示，图1及图2示出了不同实施例提供的透明充电薄膜的结构示意图。
本发明实施例提供了一种透明充电薄膜，该透明充电薄膜包括：透明柔性摩擦纳米发电机30以及透明柔性超级电容10。
首先需要说明的是，在本实施例中，为了方便透明柔性摩擦纳米发电机30以及透明柔性超级电容10设置，本实施例提供的透明充电薄膜中设置了透明柔性基板13，透明柔性超级电容10设置在透明柔性基板13上，透明柔性摩擦纳米发电机30设置在透明柔性超级电容10上。
此外，如图2所示，在本实施例提供的透明柔性充电膜中，为了提高电能的存储效果，较佳的，本实施例还提供了充电电路模块20，其中，第一输出电极32和第二输出电极35分别与充电电路模块20连接，且透明柔性超级电容10的两个极板分别与充电电路模块20连接。
其中，该充电电路模块20主要包含整流功能，可采用电力技术中公知的整流桥或机械开关实现，在此不再详细赘述。
在具体使用时，透明柔性摩擦纳米发电机30具有用于输出电信号的两个输出电极。透明柔性摩擦纳米发电机30的输出电极与充电电路模块20连接，充电电路模块20与透明柔性超级电容10连接。该透明柔性充电膜的基本工作原理是：通过人的手指或其他材料与透明柔性摩擦纳米发电机30的摩擦作用下，将机械能转化为电能；然后，透明柔性摩擦纳米发电机30的输出电极将电信号输出给充电电路模块20；充电电路模块20将该电信号进行调节转换后输出给透明柔性超级电容10，透明柔性超级电容10接收该调节后的电信号并进行储存，以备外部用电设备使用。
如图3及图4所示，该透明柔性摩擦纳米发电机30包括：第一感应电极33及第二感应电极34，与第一感应电极33连接的第一输出电极32、与第二感应电极34连接的第二输出电极35，还包括覆盖在第一感应电极33和第二感应电极34上的透明柔性摩擦层31；在使用时，人体与透明柔性摩擦层31摩擦，第一感应电极33及第二感应电极34将透明柔性摩擦层31产生的电能从第一输出电极32及第二输出电极35输出，并最终传递给透明柔性超级电容10进行存储以备使用。
在具体设置时，其中的第一感应电极33、第二感应电极34、第一输出电极32及第二输出电极35可以为ITO、FTO、AZO等透明柔性导电薄膜制作而成。透明柔性摩擦层31优选得电子能力较强的透明柔性材料，如FEP、PDMS、PET等介质材料。
如图3所示，在一个具体的实施方案中，第一感应电极33的个数为多个，第二感应电极34的个数也为多个，且第一感应电极33及第二感应电极34交叉设置呈阵列方式排列。通过设置多个感应电极采用交叉设置的方式，可以增大透明柔性摩擦层31与感应电极的接触面积，从而增大传递的电能，提高发电效率，并且在设置时，第一感应电极33和第二感应电极34交叉设置，更进一步的提高发电效率。
更进一步的，第一感应电极33和第二感应电极34采用矩形阵列方式排列，沿第一感应电极33及第二感应电极34的任意排列方向，第一感应电极33及第二感应电极34均交叉设置。即在具体设置时，第一感应电极33及第二感应电极34设置成类似棋盘格方式，如第一排为第一感应电极33、第二排为第一感应电极33……依次类推；或者第一列为第一感应电极33、第二列为第二感应电极34……依次类推；如图4所示，较佳的，在本实施例中，该第一感应电极33及第二感应电极34在列方向及排方向均采用交替设置的方式，即第一感应电极33及第二感应电极34设置成如图4所示的黑白棋盘格方式，从而使得该透明柔性摩擦纳米发电机30可以同时收集到纵向接触分离式、横向滑动式 的机械能，提高能量转换的效率，进而提高整个透明柔性摩擦纳米发电机30的发电效率。
继续参考图4，在具体连接时，多个第一感应电极33连接并与第一输出电极32连接，多个第二感应电极34连接并与第二输出电极35连接，在采用黑白棋盘格方式设置时，为了方便设置多个第一感应电极33及第二感应电极34之间的连接线走线，位于同一斜线上的第一感应电极33串联后与第一输出电极32连接，位于同一斜线上的第二感应电极34串联后与第二输出电极35连接。
同理，为了方便第一输出电极32与第一感应电极33之间方便连接、第二输出电极35与第二感应电极34之间方便连接，其中的输出电极在具体设置时，第一输出电极32和第二输出电极35均为L形结构，且第一输出电极32和第二输出电极35围成框形环绕在第一感应电极33和第二感应电极34排列的阵列外侧。
由图4可以看出，其中的第一输出电极32采用倒置的L形结构，第二输出电极35也采用反方向设置的L形结构，从而使得第一输出电极32和第二输出电极35围成一个框形环绕在第一感应电极33及第二感应电极34设置的阵列外侧；该阵列中的第一感应电极33中，位于同一斜率的直线上的第一感应电极33连接后并最终与第一输出电极32连接，位于同一斜率的直线上的第二感应电极34连接后并最终与输出电极连接。
如图5及图6所示，本发明实施例提供的透明柔性超级电容10为叉指型电容，叉指型电容包括两个叉指电极结构，每个叉指电极结构包括集流体层，以及设置在所述集流体层上的三维金属/二氧化锰纳米复合材料层。
具体的，该叉指电极结构为两个，分别为第一电极12及第二电极15。其中，位于第一电极12中的集流体层为第一集流体层11，位于第二电极15中的集流体层为第二集流体层16。且每个集流体层上方分别设置了三维金属/二氧化锰纳米复合材料层；如图5所示，每个电极的一端为引出端，该引出端为电 容的接线端，在该接线端仅有集流体层，没有设置三维金属/二氧化锰纳米复合材料层。
在具体设置时，该三维金属采用材料金、银、铂，具有良好的导电性。三维金属/二氧化锰复合材料层就是一层金属和一层二氧化锰形成的复合层，表面形貌是纳米颗粒或纳米柱等结构。
在上述实施例中，二氧化锰具有良好的电化学性能、储量丰富、价格低廉、绿色环保等优点，但是其导电性能较差。在本实施例中，通过复合二氧化锰和具有优良导电性的三维金属纳米材料，从而改善电化学性能，使得超级电容具有良好的透明性以及大比电容。
此外，为了保护上述叉指电极结构、集流体层及三维金属/二氧化锰纳米材料层，本实施例提供的电容还包括：设置在透明柔性基板13上并用于包裹第一电极12及第二电极15的固态电解质14。通过固态电解质14形成第一电极12及第二电极15之间的绝缘介质，且又可以保护叉指电极结构。
在具体设置时，叉指电极结构的叉指的线宽为10～30μm。每个叉指电极结构上的相邻的叉指的间距为70～90μm。具体的，透明柔性超级电容器采用微栅格叉指电极结构结构，其中叉指电极结构的叉指的线宽为10～30μm，相邻的叉指间距为70～90μm，叉指电极结构只占整个超级电容器面积的小部分，而且电极线宽小于人肉眼的分辨率，这种设计可以使超级电容达到透明的效果。此外，通过改变叉指电极结构的线宽和电极间距可以实现不同的透明度及比电容。
此外，如图7所示，在具体设置时，可以采用多个透明柔性超级电容10一起设置，在多个透明柔性超级电容10设置时，可以采用多个电容并联或串联、或串并联结合的方式，在采用上述组合的方式时，各个电容的固态电解质14采用一体结构，即整体将各个电容的叉指电极结构等结构包裹起来。
本发明实施例还提供了一种透明柔性超级电容的制备方法，该方法包括以下步骤：
在透明柔性基板上形成叉指结构；
在所述叉指结构上形成集流体层；
在所述集流体层上形成三维金属/二氧化锰纳米复合材料层。
在上述技术方案中，通过采用三维金属/二氧化锰纳米复合材料层形成叉指电极结构，在兼顾了透明超级电容的明度和比电容时，改善电化学性能，提高了电容存储量。
为了方便理解，下面对其步骤进行详细的描述。
1)在透明柔性基板上形成叉指结构；
具体的，首先在透明柔性基板上形成金属层，在金属层上涂覆光刻胶，在具体涂覆时，采用匀胶机涂布光刻胶，利用光刻蚀技术刻蚀出叉指结构，该刻蚀形成的叉指结构为微米级叉指结构。
2)在所述叉指结构上形成集流体层；
具体的，在步骤1)的基础上，在微米级叉指结构上利用磁控溅镀、热蒸镀、电子束蒸镀、化学气相沉积等技术在微米级叉指结构表面蒸镀上一层集流体金属。
3)在集流体层上形成三维金属/二氧化锰纳米复合材料层。
具体的，在步骤2)的基础上，利用三电极电化学沉积技术将三维金属/二氧化锰纳米复合材料沉积在集流体金属上。该三维金属采用材料金。
其中3D Au纳米结构的电化学沉积条件为：电沉积液为氯金酸溶液，具体的，该氯金酸溶液为5mmol/L的氯金酸溶液，溶液的pH值调控为3～6；以叉指结构为工作电极，铂片为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极，电沉积的电压为0.5V，沉积时间400s，得到3D Au纳米结构。
MnO2纳米材料的电化学沉积条件为：电沉积液为乙酸锰和乙酸铵的混合液，在具体使用时，该乙酸锰的溶液浓度为20mmol/L，该乙酸铵的溶液浓度为10mmol/L。以沉积有3DAu纳米结构的叉指结构为工作电极，铂片为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极，电沉积的电压为0.6V，沉积时间15min，得 到3D Au@MnO2复合纳米材料。
4)在步骤3)的基础上，通过Lift-off工艺除去叉指电极结构之间多余的光刻胶。
5)在步骤4)的基础上，将固态电解质均匀涂抹到三维金属/二氧化锰复合纳米材料上，并封装，得到所述透明柔性超级电容器。其中，本步骤使用的固态电解质的制备方法为：将氯化锂和聚乙烯醇按照质量比1∶2溶于适量的去离子水，在85℃下水浴搅拌2h得到的固态电解质。
在上述方法中，通过采用三维金属/二氧化锰纳米复合材料层形成叉指电极，在兼顾了透明超级电容的明度和比电容时，改善电化学性能，提高了电容存储量。因此，通过上述方法制备出的超级电容具有良好的透明性及比电容。
本发明还提供了一种移动设备，该移动设备包括上述任一项的透明充电薄膜。
在上述实施方案中，通过采用透明柔性摩擦纳米发电机30进行发电，提高了透明柔性超级电容10的充电效果，此外，该透明柔性超级电容10采用三维金属/二氧化锰纳米复合材料制作的电极，增大了透明柔性超级电容10的比电容。进而提高透明柔性超级电容10的存储电量。进而提高了移动终端的充电效果。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (11)
1.一种透明充电薄膜，其特征在于，包括：透明柔性摩擦纳米发电机以及透明柔性超级电容；其中，
所述透明柔性摩擦纳米发电机包括：第一感应电极及第二感应电极，与所述第一感应电极连接的第一输出电极、与所述第二感应电极连接的第二输出电极，还包括覆盖在所述第一感应电极和第二感应电极上的透明柔性摩擦层；
所述透明柔性超级电容为叉指型电容，所述叉指型电容包括两个叉指电极结构，每个叉指电极结构包括集流体层，以及设置在所述集流体层上的三维金属/二氧化锰纳米复合材料层。
2.如权利要求1所述的透明充电薄膜，其特征在于，所述第一感应电极的个数为多个，所述第二感应电极的个数为多个，且所述第一感应电极及第二感应电极交叉设置呈阵列方式排列。
3.如权利要求2所述的透明充电薄膜，其特征在于，所述第一感应电极和第二感应电极采用矩形阵列方式排列，沿所述第一感应电极及第二感应电极的任意排列方向，所述第一感应电极及所述第二感应电极均交叉设置。
4.如权利要求3所述的透明充电薄膜，其特征在于，位于同一斜线上的第一感应电极串联后与所述第一输出电极连接，位于同一斜线上的第二感应电极串联后与所述第二输出电极连接。
5.如权利要求4所述的透明充电薄膜，其特征在于，所述第一输出电极和第二输出电极均为L形结构，且所述第一输出电极和第二输出电极围成框形环绕在所述第一感应电极和第二感应电极排列的阵列外侧。
6.如权利要求1～5任一项所述的透明充电薄膜，其特征在于，所述透明柔性超级电容还包括包裹所述叉指电极结构的固态电解质。
7.如权利要求6所述的透明充电薄膜，其特征在于，所述叉指电极结构的叉指的线宽为10～30μm。
8.如权利要求7所述的透明充电薄膜，其特征在于，每个叉指电极结构上的相邻的叉指的间距为70～90μm。
9.如权利要求1所述的透明充电薄膜，其特征在于，还包括透明柔性基板，所述透明柔性超级电容设置在所述透明柔性基板上，所述透明柔性摩擦纳米发电机设置在所述透明柔性超级电容上。
10.如权利要求9所述的透明充电薄膜，其特征在于，还包括充电电路模块，所述第一输出电极和所述第二输出电极分别与所述充电电路模块连接，且所述透明柔性超级电容的两个极板分别与所述充电电路模块连接。
11.一种移动设备，其特征在于，包括如权利要求1～10任一项所述的透明充电薄膜。
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