CN108616157B - 基于摩擦纳米发电机的自充电锂离子电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂离子电池，所述锂离子电池包括：锂离子电池，和与所述锂离子电池相对放置的导电部件，其中，所述锂离子电池与所述导电部件在外力作用下通过摩擦产生电信号。本发明具有结构简单，制作简便，成本低的特点，实现了锂离子电池自充电的目的。

Description

基于摩擦纳米发电机的自充电锂离子电池

技术领域

本发明涉及一种基于摩擦纳米发电机的自充电锂离子电池，实现了锂离子电池自充电的目的。

背景技术

近年来，清洁能源成为全球关注的热点，研究人员已研发了利用机械能、振动能、风能、潮汐能等清洁能源的纳米发电机。同时，能量储存也是必须要考虑的问题。目前，研究的纳米发电机大多数为发电与能量存储是分离实现的，主要是用纳米发电机进行发电，然后再将能量储存到外电路的电池或电容器实现能量存储的目的。如Shuhua wang等人设计了振动膜双端固定的收集风能的纳米摩擦发电机，将发电机输出信号经变压、整流后存储于外置电容器中加以利用。且已有的自充电式电池的研究多为基于压电效应制备的压电式纳米发电机而设计的。如Xinyu Xue等人基于压电效应研发了将机械能转化为电化学能并实现存储的自充电电池。而基于摩擦发电机的自充电锂离子电池尚未有报道。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决锂离子电池自充电的问题，本发明提供了一种基于摩擦纳米发电机的自充电锂离子电池，其利用静电感应效应，采用接触-分离式结构设计，当发电机工作时在振动膜(金属片)和锂离子电池封装材料表面之间产生两种不同性质的电荷，同时由静电感应效应在锂离子电池负极上感应出电荷，并通过锂离子电池负极输出信号，信号经变压、整流后可以实现直接给锂离子电池充电。制备器件具有结构简单，制作简便，成本低的特点，实现了锂离子电池自充电的目的。

(二)技术方案

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种基于摩擦纳米发电机的自充电锂离子电池，所述锂离子电池包括：锂离子电池，和与所述锂离子电池相对放置的导电部件，其中，所述锂离子电池与所述导电部件在外力作用下通过摩擦产生电信号。

优选地，所述锂离子电池与所述导电部件之间设有振动膜，所述振动膜适于在振动时与所述锂离子电池和所述导电部件交替接触以产生电信号。

优选地，所述导电部件为另一锂离子电池。

更优选地，两个所述锂离子电池的负极作为输出端通过变压、整流后给所述锂离子电池充电。

优选地，所述导电部件为金属片。

更优选地，所述锂离子电池的负极和所述导电部件作为输出端通过变压、整流后给所述锂离子电池充电。

优选地，所述振动膜为由有机高分子材料制成的薄膜，所述有机高分子材料选自聚乙烯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚偏二氯乙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚三氟氯乙烯、丙烯腈- 丁二烯-苯乙烯三元共聚物和氯乙烯—醋酸乙烯共聚物中的任一种或多种。

更优选地，所述振动膜的厚度大于0.02mm且小于0.1mm。

优选地，所述锂离子电池与所述导电部件分别设置在上支撑物和下支撑物上，所述上支撑物和下支撑物的两端均设置垫片，所述振动膜的两端分别固定在所述上支撑物两端的垫片与所述下支撑物两端的垫片之间；更优选地，所述垫片的厚度大于0.8mm且小于1.5mm。

优选地，所述锂离子电池和所述导电部件接触和分离以产生电信号；更优选地，所述导电部件为金属片或导电的振动膜结构。

优选地，所述锂离子电池与所述导电部件之间设有弹簧，所述弹簧适于弹性地使所述锂离子电池和所述导电部件接触和分离。

优选地，所述锂离子电池的负极和所述导电部件作为输出端通过变压、整流后给所述锂离子电池充电。

优选地，所述金属片的材料为铜或铝。

优选地，所述锂离子电池的外包装材料为铝塑膜。

(三)有益效果

本发明基于摩擦纳米发电机的自充电锂离子电池具有下列优点：

1、双电池型和单电池型通过摩擦纳米发电机收集风能，单电池型收集振动能，并能将其有效地转化为电能为自充电提供了稳定的能量来源。

2、实现了锂离子电池的自充电。通过振动膜与电池本身材料膜材产生的能量并将其储存于锂离子电池，具有稳定性好、寿命长的特点。

3、在一个器件上解决了能量产生与存储的问题，实现了产能与储能于一体。

附图说明

为使本发明的上述内容更加明晰，将通过附图予以显示。为了更好显示各部分作用，附图中的基于摩擦纳米发电机的自充电锂离子电池结构示意图尺寸与器件的实际尺寸并未呈现严格的缩放比例。

图1为根据本发明一较佳实施方式的基于摩擦纳米发电机的自充电锂离子电池(双电池型)的结构示意图；

图2为根据本发明另一较佳实施方式的基于摩擦纳米发电机的自充电锂离子电池(单电池1型)的结构示意图；

图3为根据本发明再一较佳实施方式的基于摩擦纳米发电机的自充电锂离子电池(单电池2型)的结构示意图；

图4为本发明中锂离子电池结构示意图；

图5为本发明中自充电锂离子电池(双电池型)自充电示意图；

图6为本发明中自充电锂离子电池(单电池1型)自充电示意图；

图7为本发明中自充电锂离子电池(单电池2型)自充电示意图；

图8(a)和图8(b)为本发明摩擦纳米发电机输出电信号图(双电池型)，其中(a)为输出电压图，(b)为输出电流图；

图9为本发明摩擦纳米发电机在外接可变电阻时电流变化及相应的功率图；

图10为本发明基于摩擦纳米发电机的自充电锂离子电池自充电和放电循环图。

具体实施方式

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、完整的描述。

图1为根据本发明一较佳实施方式的基于摩擦纳米发电机的自充电锂离子电池(双电池型)的结构示意图。

图1中11为电池的支撑物，12为垫片，13为振动膜，14为锂离子电池。其中，将垫片12固定在11的两端，并将锂离子电池14 居中固定在支撑物11上。然后将振动膜13放置于中间，并将两端固定后制备成了基于摩擦纳米发电机的自充电锂离子电池。当有风通过发电机时，振动膜13上下振动与锂离子电池14表面膜互相摩擦产生电荷，并在两个锂离子电池负极感应出电荷，转化为电信号输出。两个锂离子电池和振动膜组成了一种摩擦纳米发电机。

图2为根据本发明另一较佳实施方式的基于摩擦纳米发电机的自充电锂离子电池(单电池1型)的结构示意图。

图2中21为支撑物，22为垫片，23为振动膜，24为锂离子电池，25为金属片(同时作为一个输出电极)。其中，将垫片22固定在支撑物21的两端，并将锂离子电池24和金属片25分别居中固定在上下两个支撑物21上。然后将振动膜23放置于中间，并将两端固定后制备成了基于摩擦纳米发电机的锂离子电池。当有风通过发电机时，振动膜23上下振动分别与锂离子电池24表面膜和金属片25互相摩擦产生电荷，并在锂离子电池负极上感应出电荷，并通过锂离子电池负极和金属片25输出。锂离子电池和振动膜组成了一种摩擦纳米发电机。

振动膜23的材料优选与锂离子电池24的外包装层的材料存在摩擦电极序差异，在互相接触分离后可以在二者的表面产生正负电荷。振动膜23的材料优选为由有机高分子材料制成的薄膜，所述有机高分子材料选自聚乙烯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚偏二氯乙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚三氟氯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物和氯乙烯—醋酸乙烯共聚物中的任一种或多种，优选地，所述振动膜的厚度大于0.02mm且小于0.1mm。

图3为根据本发明再一较佳实施方式的基于摩擦纳米发电机的自充电锂离子电池(单电池2型)的结构示意图。

图3中31为支撑物，32为弹簧，33为锂离子电池，34为金属片。其中，将弹簧32固定在支撑物31的两端，并将锂离子电池33 和金属片34分别居中固定在上下两个支撑物31上。当发电机通过弹簧32上下振动时，锂离子电池表面膜和金属片34摩擦产生电荷，并在锂离子电池负极上感应出电荷，并通过锂离子电池负极和金属片 34输出。锂离子电池和金属片组成了一种摩擦纳米发电机。这里使用弹簧仅是一种实现锂离子电池33和金属片34的接触分离将振动能量转化为电能的方式，还可以采用其他方式实现锂离子电池33和金属片34的接触分离，例如分别固定在两个互相周期性振动的物体上。在其他实施方式中，导电部件也可以是导电的振动膜结构，例如铝箔等。因此锂离子电池33和金属片34之间的相对运动的实现方式不作为对本发明的限制，可以采用现有的任意一种方式。

图4为本发明中锂离子电池结构示意图。

电池的外层为铝塑膜，从外到内依次为铝塑膜聚酰胺层41，为铝层42和聚乙烯层43，44为电池负极铜，45为负极材料/隔膜/正极材料/电解液层，46为电池正极铝。电池须在氩气氛围的手套箱中封装。

锂离子电池正极活性物质为锰酸锂，负极活性物质为碳。二者均通过静电纺丝技术制备出纳米纤维，并将其高温处理后而得。制备的纳米级活性物质分别与乙炔黑和粘结剂通过一定比例混合后制成正极和负极浆料，然后将其涂覆于铝箔和铜箔表面并经真空干燥后制成锂离子电池正极和负极。用商业化的多孔聚丙烯薄膜作为隔膜，浓度为1mol/L六氟磷酸锂-碳酸乙烯酯/碳酸甲乙酯溶液作为电解质，并通过聚酰胺/铝/聚乙烯三层结构的铝塑膜封装后制得。

图5为本发明中自充电锂离子电池(双电池型)充电示意图。

图6为本发明中自充电锂离子电池充电(单电池1型)示意图。

图7为本发明中自充电锂离子电池充电(单电池2型)示意图。

其原理为：图5和图6利用风能的摩擦纳米发电机当有风通过摩擦纳米发电机时，振动膜开始上下振动，并与锂离子电池外包装材料铝塑膜的聚酰胺层发生摩擦产生电荷。随着振动膜的上下振动，在铝塑膜的铝层和聚乙烯层感应出电荷，同时在锂离子电池负极上感应出电荷(单电池1型为在锂离子电池负极和金属片上分别感应和摩擦产生电荷)，并通过锂离子电池的负极和金属片(或者另一锂离子电池的负极)向外输出信号。图7利用振动能的摩擦纳米发电机当电池上下振动时，下端金属片与锂离子电池外包装材料铝塑膜的聚酰胺层发生摩擦产生电荷，同时随着振动膜的上下振动，在铝塑膜的铝层和聚乙烯层感应出电荷，同时在锂离子电池负极上感应出电荷，并通过金属片和锂离子电池负极向外输出信号。

图1至图3中的三种模式的摩擦纳米发电机输出的电信号通过变压、整流后可直接给锂离子电池充电。其中，如图5所示，双电池型当开关51、52闭合，开关53、54断开时给上端锂离子电池充电，其中整流器为55，变压器为56。充电完毕后断开开关51、52，闭合开关53、54将会给下端锂离子电池进行充电。单电池型当开关闭合后可直接给电池充电。如图6所示，对于单电池1型，当开关61、62 闭合时给上端锂离子电池充电，其中整流器为63，变压器为64。如图7所示，对于单电池2型，当开关71、72闭合时给上端锂离子电池充电，其中整流器为73，变压器为74。

图8(a)和图8(b)是本发明中摩擦纳米发电机通过上、下两个锂离子电池(双电池型)的负极输出的电信号图，产生此信号的器件尺寸为：上下支撑物尺寸为130×18×3mm，两端垫片的单个垫片的尺寸为18×10 ×1.2mm，锂离子电池尺寸为100×18×0.4mm，振动膜材料为聚全氟乙丙烯，尺寸为130×18×0.04mm。当风速为10m/s时，发电机对外输出电压为200V，电流为25μA，分别见图8(a)和图8(b)，发电机最大功率为1.58mW，内阻6.5MΩ，见图9所示。

图10为由图8(a)和图8(b)中产生电压为200V，电流为20μA的发电机给锂离子电池自充电和放电循环图。由图10可知，制备的基于摩擦纳米发电机的自充电锂离子电池可以实现锂离子电池自充电的目的，同时具有良好的充放电循环稳定性。

以下将列举几个具体实施例，以更好地阐释本发明的技术方案。

实施例1：

切割尺寸为130×18×3mm的长条形亚克力板支撑物和尺寸为 18×10×1.2mm的垫片，并将垫片紧密粘贴于支撑物两端，然后将所制尺寸为100×18×0.4mm的锂离子电池居中紧密粘贴在支撑物表面 (电池正极面向粘贴面)，并将尺寸为130mm×18mm×0.04mm的聚全氟乙烯膜放置在上下电池之间，最后用塑料螺丝将两端固定(双电池型)。

当摩擦发电机放置于风速为10m/s的环境中时，发电机输出电压为200V，电流为25μA。

实施例2：

切割尺寸为130×18×3mm的长条形亚克力板支撑物和尺寸为 18×10×2mm的垫片，并将垫片紧密粘贴于支撑物两端，然后将所制尺寸为100×18×0.4mm的锂离子电池居中紧密粘贴在支撑物表面 (电池正极面向粘贴面)，并将尺寸为130×18×0.04mm的聚全氟乙烯膜放置在上下电池之间，最后用塑料螺丝将两端固定(双电池型)。

当摩擦发电机放置于风速为10m/s的环境中，摩擦发电机输出电压为130V，电流为17μA。

实施例3：

切割尺寸为130×18×3mm的长条形亚克力板支撑物和尺寸为 18×10×1.2mm的垫片，并将垫片紧密粘贴于支撑物两端，然后将所制尺寸为100×18×0.4mm的锂离子电池居中紧密粘贴在支撑物表面(电池正极面向粘贴面)，并将尺寸为130×18×0.04mm的聚酰亚胺膜放置在上下电池之间，最后用塑料螺丝将两端固定(双电池型)。

当摩擦发电机放置于风速为10m/s的环境中，摩擦发电机输出电压为100V，电流为13μA。

本领域技术人员应当理解，本发明中采用振动膜是为了收集风能，但也可以为不震动结构而是移动的设计，与电池接触分离实现将机械能转变为电能。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种基于摩擦纳米发电机的自充电锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包括：

锂离子电池，和

与所述锂离子电池相对放置的导电部件，

其中，所述锂离子电池的表面膜与所述导电部件在外力作用下通过摩擦产生电信号；所述锂离子电池的表面膜为铝塑膜。

2.如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池与所述导电部件之间设有振动膜，所述振动膜适于在振动时与所述锂离子电池和所述导电部件交替接触以产生电信号。

3.如权利要求2所述的锂离子电池，其特征在于，所述导电部件为另一锂离子电池。

4.如权利要求3所述的锂离子电池，其特征在于，两个所述锂离子电池的负极作为输出端通过变压、整流后给所述锂离子电池充电。

5.如权利要求2所述的锂离子电池，其特征在于，所述导电部件为金属片。

6.如权利要求5所述的锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池的负极和所述导电部件作为输出端通过变压、整流后给所述锂离子电池充电。

7.如权利要求2-6任一项中所述的锂离子电池，其特征在于，所述振动膜为由有机高分子材料制成的薄膜，所述有机高分子材料选自聚乙烯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚偏二氯乙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚三氟氯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物和氯乙烯—醋酸乙烯共聚物中的任一种或多种，所述振动膜的厚度大于0.02mm且小于0.1mm。

8.如权利要求7所述的锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池与所述导电部件分别设置在上支撑物和下支撑物上，所述上支撑物和下支撑物的两端均设置垫片，所述振动膜的两端分别固定在所述上支撑物两端的垫片与所述下支撑物两端的垫片之间；所述垫片的厚度大于0.8mm且小于1.5mm。

9.如权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池和所述导电部件接触和分离以产生电信号；所述导电部件为金属片或导电的振动膜结构。

10.如权利要求9所述的锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池与所述导电部件之间设有弹簧，所述弹簧适于弹性地使所述锂离子电池和所述导电部件接触和分离。

11.如权利要求9或10所述的锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池的负极和所述导电部件作为输出端通过变压、整流后给所述锂离子电池充电。

12.如权利要求5或9所述的锂离子电池，其特征在于，所述金属片的材料为铜或铝。

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