CN108054951A - 一种基于多层结构的俘能/储能一体化微纳电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多层结构的俘能/储能一体化微纳电池，它主要包括两部分：位于上方的俘能结构和位于下方的储能结构。其中俘能结构由两片长条形柔性电极通过反复对折构建而成，其中一片长条形柔性电极是底电极，它是铜/工业化液晶聚合物/铜三层复合结构；另外一片柔性电极是对电极，它是驻极体/铜/工业化液晶聚合物/铜/驻极体五层复合结构。其工作原理是静电感应：通过向驻极体聚合物薄膜中预植入电荷使其产生一个偏置电压，当外部振动导致两个电极有相对位移时，电容变化使两个电极发生电荷重组，从而把外部环境中的机械能转化成电能，同时借助在柔性基底上构建的二维平面储能结构实现能量的原位存储。本发明具有输出性能好、结构简单、体积小、重量轻、具有很好的长期耐用性和优异的灵活性等特点。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种微能源领域的能量转化/储存新型结构，具体是一种基于多层结构的俘能/储能一体化微纳电池。
背景技术
当今社会一个显著的科学技术发展浪潮是物联网技术(IoT)和可穿戴/便携式电子产品在通讯、国防、建筑、生物医疗和环境检测的广泛应用。寻找便宜、易于携带和可持续的能源为这些产品供电是一个迫切需要解决的问题，同时对于持续改善我们的生活品质也具有重大意义。作为自持式电源的微型振动俘能器能够把周围环境中的振动能转化为电能从而为微型元器件供电，无疑是一种很有潜力的研究领域。驻极体，又叫“永电体”，是指一种介电材料在受到外电场作用或离子注入后，产生极化或电荷存留不随外电场去除而完全消失，实现极化电荷“永久”存在于电介质表面和体内的现象。因此，驻极体能作为一个永恒的偏置电压应用于静电能量转化系统中。基于驻极体的静电式能量采集器具有体积小、低成本、易于制备和良好的稳定性等优点，能与逐步微型化的物联网节点和其他无线电子器件更好地结合在一起，使其适合于特殊环境的使用要求，因此有广泛的应用前景。
然而，当前绝大多数基于驻极体的静电式俘能器都是基于硅微加工技术，虽然这有利于规模性生产，但是由于硅材料的脆性，很难应用于柔性和可穿戴设备。另外，微型俘能器通常需要长期循环工作，然后在特定的时间段释放能量，以完成对微型传感器或射频器件的供电功能，如何实现能量的原位储存和及时释放是一个亟需解决的问题。当前最先进的MEMS尺度能量收集器的输出功率仍然处于nW到μW级别，这限制了它们在我们日常生活中的应用范围。并且这些俘能系统多是谐振系统，这也带来了工作频率单一和频带宽度过窄的问题。例如Kai Tao等人在“Design and implementation of an out-of-planeelectrostatic vibration energy harvester with dual-charged electret plates”(Microelectronic Engineering,2015,135,32-37)(中文题目“一种利用双电荷驻极体的面外振动静电式俘能器”国际期刊：微电子工程)报道了一个基于硅微加工面外运动的驻极体静电俘能器。它在0.5g的激励下在本征频率66Hz时实现了0.34μW的输出，由于引入了非线性，其频带宽度从2.5Hz拓展到了6.5Hz，但是由于它是基于硅基的谐振系统，其相对固定的频率和较低的输出性能使其很难应用于柔性和可穿戴设备，需要进一步探索灵活和耐用的能量转换装置。最近，Po-Kang Yang等人在“Paper-based origami triboelectricnanogenerators and self-Powered pressure sensors”(ACS nano,2015,9(1):901-907)(中文题目“折纸摩擦电纳米发电机和自供电压力传感器”国际期刊：ACS纳米)提出了一种基于单电极的折纸纳米摩擦发电机。它利用剪纸和黏结将纸制作成螺旋弹簧结构，然后在纸的一面制备纳米结构用于摩擦发电，另外一面制作成电极用于电能输出，从而实现一个单电极的能量收集装置。然而，由于电荷的产生主要依赖于摩擦起电，其性能受制于有限的表面电荷密度，并且工作于单电极模式，造成能量转化效率有限；并且过程很复杂，需要表面纳米结构，经过长期的使用和反复的摩擦，表面纳米结构的磨损和失效也是一个很大的挑战；由于只有一个电极，不能实现储能的柔性一体化集成，无法实现电能的原位存储。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种基于多层结构的俘能/储能一体化微纳电池。具体结构是：该多层微纳电池由俘能结构和储能结构两部分构成，所述俘能结构位于上方，储能结构位于下方。其中俘能结构由两片长条形柔性电极通过反复对折构建而成，其中一片长条形柔性电极是底电极，它是铜/工业化液晶聚合物/铜三层复合结构；另外一片柔性电极是对电极，它是驻极体/铜/工业化液晶聚合物/铜/驻极体五层复合结构，所述两片长条形柔性电极具体构建方法是：两片长条形柔性电极垂直交叉摆放在一起并且分别有一端重叠在一起，然后将两片长条形柔性电极按照上下的顺序依次折叠。所述储能结构是碳纳米薄膜/胶体电解质/碳纳米薄膜的三明治结构，它通过胶体黏结于多层折纸结构所形成的俘能结构的正下方，用于原位能量储存功能。
具体工作原理：由于对电极的最上层驻极体薄膜和最下层的驻极体薄膜通过离子注入，将电荷预植入到驻极体中，使对电极两侧产生一个偏置电压。当外部振动导致对电极和底电极发生相对位移时，由于静电感应，两者之间的电容变化将使两个电极之间发生电荷的重组，从而将外界机械振动转化为电荷的流动，实现机械能到电能的转化。该电能通过电路调制，可以直接输入到储能结构中，从而实现电能的原位存储。
所述的铜/工业化液晶聚合物/铜三层复合结构是将铜薄片、工业化液晶聚合物和铜薄片通过工业压延而成的三明治结构。
所述的工业化液晶聚合物是一种部分结晶的芳族聚酯，与MEMS技术有非常好的兼容性，具有很低的杨氏模量和超强韧性，其用作柔性接头可以很好的改善折叠性。
所述的铜薄片是几十微米的铜镀层，它有良好的导电性，是用来做可变电容两个极板的理想材料，因此整个结构有耐用性很好。
所述的驻极体薄膜是可以由天然蜡、树脂、松香、磁化物、某些陶瓷、有机玻璃及许多高分子聚合物(例如K－1聚碳酸酯、聚四氟乙烯、聚全氟乙烯丙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚酯)等制备而成。
所述的驻极体/铜/工业化液晶聚合物/铜/驻极体五层复合结构，是在铜/工业化液晶聚合物/铜的三层复合结构上，利用化学气象沉积，旋涂，深涂，浇灌等方法将驻极体涂覆在表面或通过硅烷偶联剂等将驻极体直接粘结到表面。
所述的双面离子注入方法，可以通过如热极化，接触充电，电晕充电，电子枪注入和电子束照射等方式，实现驻极体电荷预植入。
所述的碳纳米薄膜/胶体电解质/碳纳米薄膜的三明治结构，是利用化学沉积的方法制备碳纳米管薄膜，然后在表面覆盖一层PVA/H3PO4胶体电解质，待胶体固化后，将两片薄膜涂有胶体电解质的一面相对放置，垂直叠层组合，待其胶体电解质固化，从而得到柔性二维平面储能结构。
上述基于多层结构的俘能/储能一体化微纳电，其俘能结构的制备过程为：长条形柔性底电极1和长条形柔性对电极2垂直交叉摆放在一起后反复对折，确保每次对折两个电极刚好相互覆盖；当折叠完成后，外接导线从两个电极分别引出，作为交流电源的两极。
本发明由于其结构简单、体积小、重量轻，并且具有长期耐用性和优异的灵活性等特点，因此有着各种潜在的广泛的商业应用。由于其力学灵敏度高，可以将及其微小机械作用力转化成电流，非常便于与可穿戴电子产品集成，例如该微纳电池可以安装在我们智能手表或智能手机的背面，当我们手摆动时，手表和手腕之间存在着相对运动，微纳电池可以将这些压缩或拉伸力转化成电力；当我们的智能手机在口袋里随着我们走动时，手机与我们口袋也会发生相互挤压，微纳电池也可以将这些微弱的压力转换成电能。与此同时，轻质和柔性微纳电池可以轻松安装到商业的闪光鞋中，以取代传统的刚性和重型化学电池，这样不仅能够很好的提高鞋子的舒适性，也能产生持续的产生绿色能源。此外，本发明所提出的俘能/储能一体化微纳电池还有着其它非常广泛的应用，例如生物医学监测，心跳/脉冲检测，肌肉运动，指纹识别，机械触发或自供电键盘等。
具体来说，该微纳电池有以下几个的优点：
首先，构造方法简单：所提出的多层结构是通过两片长条形柔性电极按照上下的顺序依次折叠而成，这样整个结构本身是自支撑的弹簧结构，非常紧凑，无需任何外部辅助支持架构。该微纳电池不仅在水平方向上可以随意弯曲，而且在垂直方向上可以拉伸和压缩，因此有轻便性和良好柔韧性的特点，它可以容易地用于可穿戴应用中。
其次，双面离子注入电荷：在对电极的最上层驻极体和最下层的驻极体都使用离子注入，这样在对电极的上表面和下表面分别形成偏置电压，可以最大化驻极体发电机中的功率密度，从而使实现毫瓦级别的功率输出变为可能。它不依赖于摩擦起电的复杂的表面改性工艺，可以大大拓展该微纳电池的使用领域，易于商业化。
再次，对于驻极体俘能器，其输出功率可以简化为P∞V2·dc/dt，其中V是驻极体表面电势，dc/dt是电容变化。与传统驻极体俘能器相比，本发明所提出的多层结构可以使其电容变化增加2N倍(N是折纸层次数)，因此，整体发电效果可以提高2N倍，所以易于获得高性能的输出。因此，该微纳电池可以通过增大折叠层数、增大接触面积和提高注入电荷密度等，大大提高发电能力，从而是该发电机不仅能作为可穿戴小功率电源，未来也可以作为大功率发电机，进一步拓展其用途。
附图说明
图1为本发明基于多层结构的俘能/储能一体化微纳电池整体结构示意图。
图2为本发明多层结构的制备示意图。
图3为本发明基于面外运动的驻极体发电工作原理图。
图4为本发明微纳电池俘能结构发电原理示意图。
图5为本发明微纳电池在用手指轻轻啪打时开路电压输出图。
图中，1-底电极，2-对电极，3-电镀铜金属层，4-工业化液晶聚合物，5-驻极体薄膜层，6-储能结构，7-碳纳米管薄膜层，8-PVA/H3PO4胶体电解质层8
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，为本发明基于多层结构的俘能/储能一体化微纳电池整体结构示意图，它主要由位于上方的俘能结构和位于下方的储能两部分构成。俘能结构由底电极1和对电极2两部分构成，其中底电极1是由电镀铜金属层3、工业化液晶聚合物4、电镀铜金属层3等三层结构叠层压延制备而成。上下两面的电镀铜金属层3是用来作为导电电极，工业化液晶聚合物层4是用来提高整个器件的可折叠性和耐用性。为了兼顾易折叠性和导电性，结合工艺条件考虑，工业化液晶聚合物层4的厚度可以在10-100微米，电镀铜金属层3应在100微米以下，本实施例使用的是由电镀铜金属层3/工业化液晶聚合物4/电镀铜金属层3的高度分别为50微米/25微米/50微米。对电极2是由驻极体薄膜层5、电镀铜金属层3、工业化液晶聚合物4、电镀铜金属层3和驻极体薄膜层5依次叠层而成的五层结构，其中驻极体薄膜层5可以通过电晕弧光发电将电荷植入其中，形成一个表面偏置电压。
储能结构6位于驻极体能量收集器底部，它是碳纳米管薄膜层7、PVA/H3PO4胶体电解质层8和碳纳米管薄膜层7依次叠加而成的三明治结构。其制备过程如下：第一步，利用化学沉积的方法制备碳纳米管薄膜层7；第二步，将面积为1cm×1cm两片碳纳米薄膜表面覆盖一层PVA/H3PO4胶体电解质8，将涂有胶体电解质的一面朝上静置，待其电解质扩散，胶体多余水分蒸发；第三步，将这两片薄膜涂有胶体电解质的一面相对放置，垂直叠层组合，待其胶体电解质固化，从而得到柔性二维平面超级电容器；最后可根据需要进行密封包装，然后接入电路，存储俘能模块转化来的电能。
如图2所示，本发明俘能结构的制备过程示意图。在完成对对电极2预充电后，将底电极1和对电极2剪成长条形，然后按照如图2所示的方法，沿之前预设的折痕，反复对折，确保每次对折两个电极刚好相互覆盖，以最大化整个器件的初始电容。根据实际应用情况，为保证输出性能，在器件面积一定情况下，可以适当增加电极的长宽比来增加整个器件高度；当高度受到限制时，可以减小电极长宽比，较少整个器件层次，整个器件通常可以折叠3-10层。当折叠完成后，外接导线从两个电极分别引出，作为交流电源的两极连接外界电子设备，实现电流输出。
如图3为本发明基于面外运动的驻极体发电工作原理图。由驻极体材料提供偏置电压，将外界的机械扰动转化为两极板之间的电荷流动，从而将机械能转化成电能。由于静电感应，固定极板上驻极体材料中的负电荷会在可动极板上产生对应的正电荷，正电荷会随着外界扰动发生来回流动。
如图4所示，是本发明微纳电池俘能结构发电原理示意图。通过上面图2所示方法，完成器件组装后，整个微纳电池成为一个三维自支撑的弹簧结构，无需任何外部辅助支持架构，在垂直方向上就能够实现拉伸和压缩。相互毗邻层与层就形成了一个电容单元，整个结构是由多个电容单元并联而成，层与层之间的空气作为电介质层。当微纳电池受到外界振动或挤压下高度变低时，如图2所示，层与层之间空隙变小，由于静电感应，对电极2的驻极体薄膜层5表面的电荷就会在底电极1上产生相反的电荷；当压到最低高度时，电极上感应电荷达到最大值，当外界激励撤除后，微纳电池由于自持弹簧结构，会恢复原来的高度，此时，就会造成电极感应电荷的流走，这样，外界的机械能就转化成为了电能。图5为本发明微纳电池在用手指轻轻啪打时开路电压输出图，该俘能结构能产生约500伏的峰值电压。
Claims (4)
1.一种基于多层结构的俘能/储能一体化微纳电池，其特征在于，由俘能结构和储能结构两部分构成，所述俘能结构由两片长条形柔性电极通过反复对折构建而成，其中一片长条形柔性电极是底电极，它是铜/工业化液晶聚合物/铜三层复合结构；另外一片柔性电极是对电极，它是驻极体/铜/工业化液晶聚合物/铜/驻极体五层复合结构，所述两片长条形柔性电极具体构建方法是：两片长条形柔性电极垂直交叉摆放在一起并且分别有一端重叠在一起，然后将两片长条形柔性电极按照上下的顺序依次折叠；所述储能结构是碳纳米薄膜/胶体电解质/碳纳米薄膜的三明治结构，它通过胶体黏结于多层折纸结构所形成的俘能结构的正下方。
2.一种如权利要求1所述的基于多层结构的俘能/储能一体化微纳电池，其特征在于，所述的工业化液晶聚合物是一种部分结晶的芳族聚酯。
3.一种如权利要求1所述的基于多层结构的俘能/储能一体化微纳电池，其特征在于，所述的驻极体薄膜由天然蜡、树脂、松香、磁化物、陶瓷、有机玻璃、K－1聚碳酸酯、聚四氟乙烯、聚全氟乙烯丙烯、聚丙烯、聚乙烯或聚酯中的一种或多种制备而成。
4.一种如权利要求1所述的基于多层结构的俘能/储能一体化微纳电池的制备方法，其特征在于，所述俘能部分制备过程如下：
步骤一：将铜薄片、工业化液晶聚合物和铜薄片通过工业压延而成铜/工业化液晶聚合物/铜三层复合的三明治结构，形成长条形柔性底电极1
步骤二：在铜/工业化液晶聚合物/铜的三层复合结构上，利用化学气象沉积，旋涂，深涂或浇灌的方法将驻极体涂覆在表面或通过硅烷偶联剂将驻极体直接粘结到表面，形成驻极体/铜/工业化液晶聚合物/铜/驻极体五层复合结构，即为长条形柔性对电极2；
步骤三：长条形柔性底电极1和长条形柔性对电极2垂直交叉摆放在一起后反复对折，确保每次对折两个电极刚好相互覆盖；
步骤四：折叠完成后，外接导线从两个电极分别引出，作为交流电源的两极。
所述储能部件制备过程为：利用化学沉积的方法制备碳纳米管薄膜，然后在表面覆盖一层PVA/H3PO4胶体电解质，待胶体固化后，将两片薄膜涂有胶体电解质的一面相对放置，垂直叠层组合，待其胶体电解质固化，从而得到碳纳米薄膜/胶体电解质/碳纳米薄膜三明治结构的柔性二维平面储能结构。
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