CN109245597A - 一种具有高输出性能的耐腐蚀摩擦纳米发电机及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高输出性能的耐腐蚀摩擦纳米发电机及其方法。该摩擦纳米发电机由摩擦电对、导电电极、支撑结构组成。铜镍合金导电带和聚四氟乙烯带用作摩擦电材料，聚甲基丙烯酸甲酯用作支撑部件，导电铜镍合金带用作导电电极，对于摩擦纳米发电机，实现了近似开路电压V_oc，短路电流和318V，92μA和1.24mW/cm²的峰值功率密度值。此外，研究证明了所提出的摩擦纳米发电机的耐腐蚀性。此外，摩擦纳米发电机可以很容易地融入鞋子并通过行走的动作进行操作。根据实验结果，制造的摩擦纳米发电机集成在鞋中的V_oc的近似值达到1500V，能够在3.4V的工作电压下驱动172个高功率LED。该研发明为实现耐腐蚀的自供电可穿戴电子系统提供了一种有潜力的解决方案。

Description

一种具有高输出性能的耐腐蚀摩擦纳米发电机及其方法

技术领域

本发明涉及一种具有高输出性能的耐腐蚀摩擦纳米发电机。该摩擦纳米发电机可用于收集人体运动产生的机械能，同时还具有一定的耐腐蚀性。研发明为实现耐腐蚀的自供电可穿戴电子系统提供了一种有潜力的解决方案。属于纳米能源领域。

背景技术

近年来，由于重量轻，方便，多功能等优点，可穿戴柔性智能电子产品受到越来越多的关注。此外，微/纳米制造技术的快速发展促进了可穿戴电子产品的超小型化和集成化。然而，可穿戴电子产品的电源仍然是其发展的底线。传统的电源通常很大，会导致严重的环境污染。此外，随着无线互联网和服务升级的不断发展，用于便携式电子设备的传统电池的耐久性和储能能力已经不足。

因此，基于压电和电磁效应的振动能量收集器被认为是一些微型器件的有潜力的电源。电磁振动能量采集器由于尺寸小，不需要驱动功率的事实而被广泛用于引信中，并且它们可以应用于各种恶劣环境中。然而，收获人体运动产生的机械能很困难。压电振动能量收集器的特征在于宽的环境振动带宽和高水平的随机性。因此，当环境振动频率略微偏离收集器的共振频率时，这些收集器的收集能力和转换效率将显着降低。在我们的日常生活中，往复运动是一种非常常见的机械运动，例如，自然振荡，波浪运动，人体四肢摆动和机械活塞运动有关。然而，这些运动的特征(例如长往复距离，低频率和幅度/频率波动)对先前开发的振动采集器提出了挑战，这些振动采集器仅适用于由惯性力引起的低振幅和高频激励。

摩擦电纳米发电机已经被证明是一种有效且低成本的能量采集器，包括振动、人行走，雨滴下落、空气和水流动。摩擦纳米发电机是一种新型能量采集器，重量轻，灵活，具有高输出性能。这种收集器被称为绿色电池，因为它们比传统电池产生更少的污染，如铅酸电池和镍镉电池。在以前的工作中，一些证明摩擦纳米发电机是基于两个涂有金属电极的摩擦电荷薄膜材料的垂直分离模式，这被定义为垂直分离模式中的介电-电介质摩擦纳米发电机。随后，制造摩擦纳米发电机的新方法无需在摩擦电膜材料上沉积金属电极，这被定义为垂直分离模式中的导体-电介质摩擦纳米发电机。并且该模式可以构建用于“无线”应用的无电极摩擦纳米发电机，其可以有效地降低器件的制造成本并实现一些新的应用。

然而，这种模式不仅需要材料制造摩擦电对，而且还要导电。显然，只有金属材料才能满足这一要求。在以前的工作中，许多金属材料已被用作摩擦电材料，包括铜，铝和铁。与此同时。摩擦电材料的表面特性对摩擦纳米发电机的输出性能至关重要。但是，当人体运动产生的汗液滴落在摩擦纳米发电机表面时，这些材料的表面，特别是金属材料会被腐蚀，这种腐蚀可能对摩擦纳米发电机的输出性能有害。因此，耐腐蚀金属材料对于可穿戴摩擦纳米发电机是必不可少的。最近提出了一种耐湿摩擦纳米发电机，它可以在高湿度环境下提供稳定的输出性能。但耐湿摩擦纳米发电机的输出功率密度只能达到130μW/cm²，这极大地限制了摩擦纳米发电机的应用。在以前的工作中，增加摩擦电材料表面的粗糙度可以用作提高摩擦纳米发电机输出性能的有效方法。但是，这需要表面纹理的复杂制造过程，以及用于特定工艺步骤的昂贵设备。因此，迫切需要找到一种合适的材料来制造具有腐蚀性和高输出性能的摩擦纳米发电机。

发明内容

本发明提出了一种由导电铜镍合金胶带和特氟龙胶带组成的具有高输出性能的耐腐蚀摩擦纳米发电机，具体方案如下。

本发明具有高输出性能的耐腐蚀摩擦纳米发电机包括导电电极和支撑结构；所述的支撑结构包括若干个卷筒结构；所述的导电电极为粘贴在卷筒结构内侧两个相对表面的导电铜镍合金胶带；其中一侧的导电铜镍合金胶带的表面上粘贴有特氟龙胶带，所述的特氟龙胶带与另一侧的导电铜镍合金胶带构成摩擦电对；所述的支撑结构可被压缩使构成摩擦电对的两部分接触，且所述的支撑结构在压缩外力撤销时具有回复弹性；当卷筒型结构被压缩完全时，构成摩擦电对的两部分相互接触；且两部分的位置正好相对应。

支撑结构遵循易制作的筒状结构；铜镍合金胶带由于具有较强的失去电子的能力和良好的导电性，分别用作摩擦电对和导电电极。同时，由于铜镍合金带表面粗糙，不需要对其表面进行微处理，因此与其他导电带，例如导电铜带相比，加工成本将显著降低；铜镍合金导电胶带具有很好的导电性和柔性，适合于各种复杂环境；导电铜镍合金胶带，除具有很高的机械特性，强度，导电性外，还具有优良的耐腐蚀特性。采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为支撑结构。用于摩擦纳米发电机的制备材料，包括铜镍合金胶带、特氟龙胶带(聚四氟乙烯)、PMMA塑料膜，都是低成本、商业化和普通的家用商品。一系列研究结果表明，导电铜镍合金胶带的耐腐蚀性能优于铜箔。此外，本发明还证明了这种耐腐蚀的摩擦纳米发电机可以很容易地集成到鞋底，并用来收集步行产生的机械能。

进一步的，当所述的支撑结构包括多个卷筒结构时，所述的卷筒结构之间为上下堆叠布置；且每个卷筒结构内构成摩擦电对的两部分为上下正对设置；多个卷筒结构之间以并联方式接入电路。耐腐蚀摩擦纳米发电机既可以单个独立工作，耐腐蚀摩擦纳米发电机也可以制作成堆叠结构来增强输出电流，进而可以提升输出性能。

进一步的，所述的支撑结构采用材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，PMMA树脂是无毒环保的材料，具有良好的化学稳定性、耐候性。

本发明还公开了一种具有高输出性能的耐腐蚀摩擦纳米发电机的制作方法，包括以下步骤：

1)根据需要将PMMA树脂卷成筒形，作为支撑结构；

2)将两片导电铜镍合金胶带粘在卷筒内侧上下两个内表面上，并且压紧，使其牢牢的固定在PMMA塑料表面；

3)将特氟龙胶带粘在其中一片铜镍合金胶带表面，和另一片铜镍合金胶带构成摩擦电对，同时将导线粘在两片导电铜镍合金胶带表面。

本发明还公开了一种所述具有高输出性能的耐腐蚀摩擦纳米发电机的发电方法，包括以下步骤：

1)根据需要确定耐腐蚀摩擦纳米发电机中发电单元的个数，将所述耐腐蚀摩擦纳米发电机上下堆叠放置，且每个卷筒结构内构成摩擦电对的两部分也上下正对设置；

2)布置导线，使各个发电单元并联；

3)外接用电器或者储能装置，当用电器需要直流电，需要外接整流桥；

4)利用外力反复压缩耐腐蚀摩擦纳米发电机；各发电单元中的摩擦电极的两部分进行接触-分离两种状态的反复切换，当摩擦电极的两部分相互接触的时候，摩擦电极的两部分表面会产生正负电荷，此时导电电极也会感应出相应的电荷，随着摩擦电极的两部分分离，导电电极上的电荷被驱动产生电流。

本发明所具有的优点：

(1)制作该摩擦纳米发电机的材料低廉；

(2)该摩擦纳米发电机制作简单，没有复杂的加工工艺；

(3)较为广泛的应用，不仅可以作为发电机，还可以作为传感器；

(4)发明的摩擦纳米发电机具有更高的功率密度，经过实测功率密度可以达到1.24mW/cm²；

(5)经过实验测试，尺寸为2cm×3cm在大约5HZ的力作用下，可以产生318V的开路电压，以及92μA的短路电流；

(6)较以往的选择用低成本金属材料(例如，铜箔)作为摩擦电对的摩擦纳米发电机，我们提出的摩擦纳米发电机具有更好的耐腐蚀性能；

(7)具有很高的可靠性，多次按压后，电学性能依然稳定；

(8)在连续工作5000次的情况下，依然有更好的稳定性。

附图说明

图1是耐腐蚀摩擦纳米发电机结构示意图；

图2是耐腐蚀摩擦纳米发电机制作过程图；

图3是耐腐蚀摩擦纳米发电机工作原理图；

图4为具有高输出性能的耐腐蚀堆叠摩擦纳米发电的短路电流数据图；其中(1)、(2)、(3)分别为单元数量为2个，3个和4个时短路电流与时间的关系，(4)示出了短路电流与单元数量的关系；

图5为铜与铜镍合金在盐水中的耐腐蚀实验结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明进一步说明。

参阅图1，一种具有高输出性能的耐腐蚀摩擦纳米发电机，其特征在于包括支撑结构、摩擦电对、感应电极等。特氟龙胶带和导电铜镍合金胶带构成摩擦电对，同时导电铜镍合金胶带也作为导电电极。PMMA塑料膜作为支撑结构，制成卷筒形。

参阅图2，一种具有高输出性能的耐腐蚀摩擦纳米发电机的制作方法，包括以下步骤：

1)将PMMA塑料膜剪成3cm×6cm长条形状；

2)将两片尺寸为2cm×3cm的导电铜镍合金胶带贴在PMMA塑料膜上；

3)将一片尺寸为2cm×3cm的特氟龙胶带贴在其中一片导电铜镍合金胶带表面；

4)将PMMA塑料膜折成圆筒状，制成发电机；

5)根据需要制成堆叠摩擦纳米发电机，每个发电单元以并联的方式连入电路。

参阅图3，一种具有高输出性能的耐腐蚀摩擦纳米发电机的工作原理，当特氟龙胶带和导电铜镍合金胶带相互接触时，电子将根据材料的电子吸引能力的摩擦电级数从特氟龙胶带注入铜镍合金胶带。在材料完全接触期间，特氟龙表面和导电铜镍合金胶带表面相反电荷处于电平衡。当特氟龙胶带与导电铜镍合金胶带分离时，将建立电势差。这种差异驱动电子流(由于外部负载)从底部导电带到顶部导电带，从而屏蔽带子上的正摩擦电荷，并产生输出电流信号。当在完全接触-分离循环中达到最大分离距离时，将实现新的电平衡。随后，如果特氟龙胶带靠近导电铜镍合金胶带表面，两个导电带上的感应电荷变得不平衡。然后电子流回到底部导电电极，产生反向输出电流信号。在特氟龙胶带和导电铜镍合金胶带之间的随后完全接触恢复了原始状态。通过特氟龙胶带和导电铜镍合金胶带之间的周期性接触，将产生连续的电输出。

参阅图4，当增加工作单元的数量时，短路电流会呈线性增加。

参阅图5，为本发明的耐腐蚀实验，当收到盐水腐蚀时，其相对于铜箔具有更高的耐腐蚀特性，通过实验证明了用铜镍合金制作的摩擦纳米发电机的输出性能更加稳定。由此可知，本发明的高输出性能的耐腐蚀摩擦纳米发电机可以用于人走路产生的机械能，对人体运动产生的汗液具有一定的耐腐蚀性；

附图2所示过程制备的耐腐蚀摩擦纳米发电机经过实测功率密度可以达到1.24mW/cm²；尺寸为2cm×3cm的摩擦电对在大约5HZ的力作用下，可以产生318V的开路电压，以及92μA的短路电流；经疲劳测试，在连续工作5000次的情况下，依然有更好的稳定性。

Claims (5)

1.一种具有高输出性能的耐腐蚀摩擦纳米发电机，其特征在于包括导电电极和支撑结构；

所述的支撑结构包括若干个卷筒结构；所述的导电电极为粘贴在卷筒结构内侧两个相对表面的导电铜镍合金胶带；

其中一侧的导电铜镍合金胶带的表面上粘贴有特氟龙胶带，所述的特氟龙胶带与另一侧的导电铜镍合金胶带构成摩擦电对；

所述的支撑结构可被压缩使构成摩擦电对的两部分接触，且所述的支撑结构在压缩外力撤销时具有回复弹性；当卷筒型结构被压缩完全时，构成摩擦电对的两部分相互接触；且两部分的位置正好相对应。

2.一种具有高输出性能的耐腐蚀摩擦纳米发电机，其特征在于当所述的支撑结构包括多个卷筒结构时，所述的卷筒结构之间为上下堆叠布置；且每个卷筒结构内构成摩擦电对的两部分为上下正对设置；多个卷筒结构之间以并联方式接入电路。

3.如权利要求书1所述的一种具有高输出性能的耐腐蚀摩擦纳米发电机，其特征在于，所述的支撑结构采用材料为聚甲基丙烯酸甲酯。

4.一种具有高输出性能的耐腐蚀摩擦纳米发电机的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据需要将PMMA树脂卷成筒形，作为支撑结构；

2)将两片导电铜镍合金胶带粘在卷筒内侧上下两个内表面上，并且压紧，使其牢牢的固定在PMMA塑料表面；

3)将特氟龙胶带粘在其中一片铜镍合金胶带表面，和另一片铜镍合金胶带构成摩擦电对，同时将导线粘在两片导电铜镍合金胶带表面。

5.一种利用权利要求1所述具有高输出性能的耐腐蚀摩擦纳米发电机的发电方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据需要确定耐腐蚀摩擦纳米发电机中发电单元的个数，将所述耐腐蚀摩擦纳米发电机上下堆叠放置，且每个卷筒结构内构成摩擦电对的两部分也上下正对设置；

2)布置导线，使各个发电单元并联；

3)外接用电器或者储能装置，当用电器需要直流电，需要外接整流桥；

4)利用外力反复压缩耐腐蚀摩擦纳米发电机；各发电单元中的摩擦电极的两部分进行接触-分离两种状态的反复切换，当摩擦电极的两部分相互接触的时候，摩擦电极的两部分表面会产生正负电荷，此时导电电极也会感应出相应的电荷，随着摩擦电极的两部分分离，导电电极上的电荷被驱动产生电流。