CN108471219B - 一种非接触式可穿戴电磁-摩擦混合纳米发电装置及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种接触式可穿戴电磁‑摩擦电混合纳米发电装置及制备方法，包括如下步骤：将环氧树脂基与线圈构成的基座与金属铝固连作一号电极，将摩擦电复合层材料与聚对苯二甲酸乙二醇酯基板构成二号电极，由靠近并且平行于环氧树脂基内置线圈轴线的永磁跌提供驱动力，由导线连接两电极，丙烯酸封装整体装置构成纳米发电器件。所述摩擦电复合层为Fe3O4@PVDF纳米线与铝金属的复合层状材料。充分利用Fe3O4的铁磁性来驱动纳米发电机接触分离产生电荷。本发明结合电磁式和摩擦式纳米发电机的优势，克服了传统纳米发电机输出电流性能差的短板，进一步提高纳米发电机的输出性能，为高输出纳米发电机的制造提供了一种新方法。
Description
技术领域
本发明属于新能源开发和便携式电子领域，特别是涉及一种非接触式可穿戴电磁-摩擦混合纳米发电装置及制备方法。
背景技术
随着微型可穿戴电子产品在日常生活中的飞速发展，可穿戴能源设备在过去几年中日益受到越来越多的关注，实现可穿戴能源设备的目标是为诸如智能手机，手表，助听器和医疗保健传感器等各种普通电子产品供电。迄今为止，可穿戴电子设备的电源均为传统的刚性电池，设备完全由电池为电子设备提供实现多种功能的能源。然而，由于电池寿命有限，并且其频繁充电的需求以及潜在的健康和环境危害已经成为限制可穿戴设备发展的最大瓶颈。因此，通过使用能够从人体运动中获取生物力学能量来驱动电子设备的能量收集装置来替代传统电池是非常需要的并且急迫的。
目前研究人员已经成功研发出摩擦电式、压电式、电磁式等多种纳米发电装置。然而压电式纳米发电装置输出性能还有待提高，而多用于自供电设备的摩擦电式以及电磁式纳米发电装置却分别存在输出电流小、输出电压小的问题，不利于给大功率可穿戴式电子设备持续供电，因此，还需要结合两种发电装置的优点研究出具有高电压输出和高电流输出的纳米发电装置。
发明内容
要解决的技术问题
为了克服现有纳米发电装置输出电量不足，无法持续驱动电子设备运转的问题，提高纳米发电装置的电输出能力，本发明提出了一种非接触式可穿戴电磁-摩擦混合纳米发电装置及制备方法。
技术方案
一种非接触式可穿戴电磁-摩擦混合纳米发电装置，其特征在于包括：由环氧树脂基与线圈构成的基座与下铝箔固连作一号电极，由嵌入四氧化三铁纳米颗粒的聚偏氟乙烯复合纤维和上铝箔形成的复合层与聚对苯二甲酸乙二醇酯基板构成二号电极，由导线连接两电极构成外部电路，外部电路使用丙烯酸外壳封装，由靠近并且平行于环氧树脂基内置线圈轴线的永磁铁提供驱动力。
二号电极成拱形带形态。
一种发电装置的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：制备四氧化三铁纳米颗粒
步骤1a、通过溶剂热方法制备四氧化三铁纳米颗粒；
步骤1b、将混合的四氧化三铁粉和3-氨丙基三乙氧基硅烷分散在乙醇中；
步骤1c、用超声波处理30分钟，获得混合物溶液；
步骤1d、将混合液回流12小时；
步骤1e、反复进行磁分离/漂洗来采集产品；
步骤1f、在60℃真空干燥24小时后收集到改良的四氧化三铁纳米颗粒；
步骤2：制备摩擦电复合层
步骤2a、将重量百分比为10％的聚偏氟乙烯粉末溶解在丙酮和N,N-二甲基甲酰胺的混合溶液中；其中丙酮和N,N-二甲基甲酰胺的比例为1：4；
步骤2b、将四氧化三铁纳米颗粒插入聚偏氟乙烯溶液中；
步骤3：制备二号电极
步骤3a、在20千伏的电场下，进行静电纺丝，调整喷雾速率为1毫升/小时，保持在相对湿度小于30％，在封闭箱中进行；注射器针尖与收集器之间的距离约为15厘米；复合纤维在铝箔上直接收集；
步骤3b、合成复合纤维膜需要在80℃条件下干燥1小时；
步骤3c、将带有复合纤维层的铝箔安装在聚对苯二甲酸乙二醇酯拱形基板上；
步骤4：制备一号电极
步骤4a、将一个约5000圈的线圈嵌入在一个尺寸为5mm×3mm的环氧树脂基板中；
步骤4b、在环氧树脂基板上固定铝箔；
步骤5：将两个电极的铝箔通过导线连接起来构成外部电路；
步骤6：通过丙烯酸外壳将整体装置进行封装。
有益效果
本发明采用电磁-摩擦混合纳米发电模式，克服了单模式纳米发电机输出不足的问题，与传统单模式纳米发电机相比输出功率有所提高，具有良好的输出性能，可运用于更加广泛的领域。
附图说明
图1为本发明实施例的非接触式可穿戴电磁-摩擦混合纳米发电装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的非接触式可穿戴电磁-摩擦混合纳米发电装置的制备方法流程图；
图3为本发明实施例的非接触式可穿戴电磁-摩擦混合纳米发电装置中摩擦电纳米发电装置的输出电压、输出电流波形；
图4为本发明实施例的非接触式可穿戴电磁-摩擦混合纳米发电装置中摩擦电纳米发电装置的输出功率波形；
图5为本发明实施例的非接触式可穿戴电磁-摩擦混合纳米发电装置中电磁式纳米发电装置输出电压、输出电流波形；
图6为本发明实施例的非接触式可穿戴电磁-摩擦混合纳米发电装置中电磁式纳米发电装置的输出功率波形；
图7为本发明实施例的非接触式可穿戴电磁-摩擦混合纳米发电装置为自供电温湿度计提供电量曲线图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明根据摩擦式纳米发电装置具有高输出电压低输出电流的特点，以及电磁式纳米发电装置具有高输出电流低输出电压的特点，研究出同时具备高输出电压和高输出电流的纳米发电装置。
本发明提供了一种非接触式可穿戴电磁-摩擦混合纳米发电装置，包括：
由环氧树脂基材料和线圈构成的基座与金属铝固连作为一号电极；
由复合材料层与拱形涤纶树脂条构成二号电极固连在环氧树脂基基座上；
永磁铁提供装置驱动力；
导线一端连接一号电极，另一端连接二号电极；
装置外部由丙烯酸封装。
进一步地，所述一号电极基座中，线圈嵌入环氧树脂基基座内部。
进一步地，所述二号电极的复合材料层由四氧化三铁纳米颗粒与聚偏氟乙烯纳米纤维的复合材料和金属铝构成。
进一步地，所述永磁铁位于靠近并且平行于环氧树脂基内置线圈的轴线处。
在所述混合纳米发电装置中，其二号电极复合材料层通过以下方法制备：
将聚偏氟乙烯溶解于丙酮和N，N-二甲基甲酰胺比例为1:4的溶液中，将四氧化三铁纳米颗粒插入聚偏氟乙烯溶液，在20千伏的电场下通过静电纺丝将四氧化三铁纳米颗粒和聚偏氟乙烯复合材料通过金属铝收集。
进一步地，所述四氧化三铁纳米颗粒通过溶剂热方法制备后，经过如下处理：
将四氧化三铁纳米颗粒分散于乙醇溶液形成混合物后，将混合物超声波处理30分钟；之后混合物经过回流处理12小时，将回流处理后的混合物进行磁分离和漂洗，最后将漂洗过的四氧化三铁纳米颗粒在60摄氏度真空环境下干燥24小时得到纯净的四氧化三铁纳米颗粒。
进一步地，溶剂热方法制备Fe3O4纳米颗粒的具体步骤为：首先将足量FeCl3·6H2O在乙二醇中溶解，然后将少量的NaAc和聚乙二醇加入到溶解中，之后将混合物在200℃下加热8小时，就可以得到Fe3O4纳米颗粒。
进一步地，永磁铁位于靠近并且平行于环氧树脂基内置线圈的轴线处。其中，所述永磁铁在一号电极中产生感应电荷，并在初始时通过磁场使嵌有四氧化三铁纳米颗粒的纳米纤维贴在一号电极的铝板上，并在外部力驱动下沿线圈轴线方向做周期性运动，磁场的变化使二号电极复合层做周期性接触分离运动，并且两电极在接触及分离过程中产生电势差，从而使电子在外部电路中周期性移动，从而产生交变电流，并且因为电磁感应磁通量的周期性变化，使线圈中感应出感应交变电流。
如图1所示，本发明的一种非接触式可穿戴电磁-摩擦混合纳米发电装置，包括由环氧树脂基与线圈构成的基座1与金属铝2d固连作一号电极，由嵌入四氧化三铁纳米颗粒的聚偏氟乙烯复合纤维3和铝金属2u形成的复合层与聚对苯二甲酸乙二醇酯基板5构成二号电极，由导线连接两电极构成外部电路6，丙烯酸外壳7封装整体装置，由靠近并且平行于环氧树脂基内置线圈轴线的永磁铁4提供驱动力。其中，当有交变外力作用下永磁铁4做周期性往复运动时，在所述混合纳米发电装置中，一号电极与二号电极会发生接触-分离运动，2u铝电极和2d铝极板之间产生交流电信号。
其中，当所述永磁铁4靠近装置时，一号电极与二号电极相互接触，因为铝电极比聚偏氟乙烯更具有摩擦正电性，电子由一号电极铝电极注入二号电极摩擦电复合层。在外部机械力驱动下，永磁铁远离装置，二号电极因为拱形带形态而与一号电极分离，从而使两电极之间产生电势差，电子定向移动。相反，当磁铁沿垂直方向靠近装置时，电势差减小，电子沿相反方向运动产生反向电子流，同时由于线圈中磁通量的变化，在一号电极线圈中也将产生感应电流。
如图2所示，本发明提供的一种非接触式可穿戴电磁-摩擦混合纳米发电装置的制备方法包括如下步骤：
步骤1，通过溶剂热方法制备四氧化三铁纳米颗粒。
步骤2，制备摩擦电复合层。
步骤3，通过静电纺丝方法制备组装二号电极。
步骤4，制备组装一号电极。
步骤5，连接外部电路。
步骤6，装置封装。
下面将通过实施例对本发明作进一步说明。
实施例一：
本发明提供的一种非接触式可穿戴电磁-摩擦混合纳米发电装置。包括上层一号电极，下层二号电极、外部永磁铁4、聚对苯二甲酸乙二醇酯基板5以及外部丙烯酸封装外壳7，具体制备过程为：
(1)制备四氧化三铁纳米颗粒
步骤1、通过溶剂热方法制备四氧化三铁纳米颗粒：首先将足量FeCl3·6H2O在乙二醇中溶解，然后将NaAc和聚乙二醇加入到溶解中，之后将混合物在200℃下加热8小时，就可以得到Fe3O4纳米颗粒。
步骤2、将混合的四氧化三铁粉和3-氨丙基三乙氧基硅烷分散在乙醇中
步骤3、用超声波处理30分钟，获得混合物溶液。
步骤4、将混合液回流12小时。
步骤5、反复进行磁分离/漂洗步骤来采集产品。
步骤6、在60℃真空干燥24小时后收集到改良的四氧化三铁纳米颗粒。
(2)制备摩擦电复合层。
步骤1、将10wt％(重量百分比)的聚偏氟乙烯粉末溶解在丙酮和N,N-二甲基甲酰胺的混合溶液中。丙酮、DMF的比例为1：4。
步骤2、将四氧化三铁纳米颗粒插入聚偏氟乙烯溶液中。
(3)制备二号电极
步骤1、在20千伏的电场下，进行静电纺丝，调整喷雾速率为1毫升/小时，保持在相对湿度小于30％，在封闭箱中进行。注射器针尖与收集器之间的距离约为15厘米。复合纤维在铝箔上直接收集。
步骤2、合成复合纤维膜需要在80℃条件下干燥1小时。
步骤3、将带有复合纤维层的铝箔安装在聚对苯二甲酸乙二醇酯拱形基板上。
(4)制备一号电极
步骤1、将一个约5000圈的线圈嵌入在一个尺寸为5mm×3mm的环氧树脂基板中。
步骤2、在环氧树脂上固定铝箔。
(5)将两个电极的铝箔通过导线连接起来构成外部电路。
(6)封装装置、通过丙烯酸外壳将整体装置进行封装。
本发明尺寸为长5.5厘米，宽3.0厘米，高2.0厘米。
图3为上述非接触式可穿戴电磁-摩擦混合纳米发电装置中摩擦电纳米发电装置的输出电压、输出电流波形。采用以上步骤制备出的非接触式可穿戴电磁-摩擦混合纳米发电装置中摩擦电纳米发电装置，其开路电压随着永磁铁4和电极之间的距离的增加而减小，同时输出电流也随着永磁铁与电极间距离的增加而减小，电压峰值大致为85伏，输出电流峰值大致为0.005毫安。
图4为上述非接触式可穿戴电磁-摩擦混合纳米发电装置中摩擦电纳米发电装置的输出功率波形，采用以上步骤制备出的非接触式可穿戴电磁-摩擦混合纳米发电装置中摩擦电纳米发电装置，输出电流随着外部载荷电阻从1MΩ增加到100MΩ而急剧下降。在外部负载为25MΩ情况下，其最大输出功率约为0.23mW；
图5为上述非接触式可穿戴电磁-摩擦混合纳米发电装置中电磁式纳米发电装置的输出电压、输出电流波形。
采用以上步骤制备出的非接触式可穿戴电磁-摩擦混合纳米发电装置中电磁式纳米发电装置，其开路电压随着永磁铁4和电极之间的距离的增加而减小，同时输出电流也随着永磁铁与电极间距离的增加而减小，电压峰值大致为4伏，输出电流峰值大致为10毫安。
图6为上述非接触式可穿戴电磁-摩擦混合纳米发电装置中电磁式纳米发电装置的输出功率波形，采用以上步骤制备出的非接触式可穿戴电磁-摩擦混合纳米发电装置中电磁式纳米发电装置，输出电流随着外部载荷电阻从10Ω增加到1000Ω而急剧下降。在外部负载在200Ω时，观察到其最大输出功率为3.4mW。
图7为上述非接触式可穿戴电磁-摩擦混合纳米发电装置为自供电温湿度计提供电量曲线图。图7示出，由以上所述步骤所制备的非接触式可穿戴电磁-摩擦混合纳米发电装置，通过11.9s按压供电后可有效为温湿度计提供149s稳定工作时间，而为整个温湿度计提供220s工作时间。
Claims (2)
1.一种非接触式可穿戴电磁-摩擦混合纳米发电装置的制备方法，所述的非接触式可穿戴电磁-摩擦混合纳米发电装置包括：由环氧树脂基与线圈构成的基座(1)与下铝箔(2d)固连作一号电极，由嵌入四氧化三铁纳米颗粒的聚偏氟乙烯复合纤维(3)和上铝箔(2u)形成的复合层与聚对苯二甲酸乙二醇酯基板(5)构成二号电极，由导线(6)连接两电极构成外部电路，外部电路使用丙烯酸外壳(7)封装，由靠近并且平行于环氧树脂基内置线圈轴线的永磁铁(4)提供驱动力；其特征在于步骤如下：
步骤1：制备四氧化三铁纳米颗粒
步骤1a、通过溶剂热方法制备四氧化三铁纳米颗粒；
步骤1b、将混合的四氧化三铁粉和3-氨丙基三乙氧基硅烷分散在乙醇中；
步骤1c、用超声波处理30分钟，获得混合物溶液；
步骤1d、将混合液回流12小时；
步骤1e、反复进行磁分离/漂洗来采集产品；
步骤1f、在60℃真空干燥24小时后收集到改良的四氧化三铁纳米颗粒；
步骤2：制备摩擦电复合层
步骤2a、将重量百分比为10％的聚偏氟乙烯粉末溶解在丙酮和N,N-二甲基甲酰胺的混合溶液中；其中丙酮和N,N-二甲基甲酰胺的比例为1：4；
步骤2b、将四氧化三铁纳米颗粒插入聚偏氟乙烯溶液中；
步骤3：制备二号电极
步骤3a、在20千伏的电场下，进行静电纺丝，调整喷雾速率为1毫升/小时，保持在相对湿度小于30％，在封闭箱中进行；注射器针尖与收集器之间的距离约为15厘米；复合纤维在铝箔上直接收集；
步骤3b、合成复合纤维膜需要在80℃条件下干燥1小时；
步骤3c、将带有复合纤维层的铝箔安装在聚对苯二甲酸乙二醇酯拱形基板上；
步骤4：制备一号电极
步骤4a、将一个约5000圈的线圈嵌入在一个尺寸为5mm×3mm的环氧树脂基板中；
步骤4b、在环氧树脂基板上固定铝箔；
步骤5：将两个电极的铝箔通过导线连接起来构成外部电路；
步骤6：通过丙烯酸外壳将整体装置进行封装。
2.根据权利要求1所述的非接触式可穿戴电磁-摩擦混合纳米发电装置的制备方法，其特征在于二号电极成拱形带形态。
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