CN111245282B - 可重构风能能量收集-存储一体式单元与方法 - Google Patents

可重构风能能量收集-存储一体式单元与方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可重构风能能量收集‑存储一体式单元及其制备方法、以及进行风能能量收集‑存储的方法，包括：支撑框架、铁电摩擦电耦合功能薄膜、金属电极，铁电摩擦电耦合功能薄膜包括从上到下堆叠在一起的负性摩擦起电层、铁电材料层、正性摩擦起电层，使铁电摩擦电耦合功能薄膜与两个金属电极分离的时候，构成能量收集单元用于收集风能；使两层金属电极与负性摩擦起电层、铁电材料层、正性摩擦起电层构成的三明治结构紧密接触时，整个单元构成了平板电容器，用以存储在正性摩擦起电层、负性摩擦起电层上的摩擦极化电荷。该器件可通过结构上的重构分别实现能量收集和能量存储这两种功能，制备过程简单、结构新颖、成本低廉、实用性高。

Description

可重构风能能量收集-存储一体式单元与方法
技术领域
本发明涉及能量收集技术、微电子机械系统(MEMS)、电子聚合物功能材料领域，具体涉及一种可重构风能能量收集-存储一体式单元与制备方法、风能能量收集-存储的方法。
背景技术
在高度集成化的微电子器件快速发展的今天，相应的能源供应系统的研究却相对滞后。目前，大多数传感器都以外部电源或电池供给能量，需要维护人员定期地维护或更换电池以保证设备与系统的持续运行，而对于布设在危险地带和极端环境中的传感器网络节点而言，这不仅增加了运行成本而且威胁了维护人员的生命安全。另一方面，电池对环境和人体具有潜在危害，很难适应可持续、低成本、绿色环保等要求。因此，通过自供能技术将环境中的能量转化为电能，是解决电子设备供电的一种理想方案。摩擦起电是日常生活中一种十分普遍的现象。它是指通过物体之间物理接触中产生的电荷转移过程，摩擦起电过程也是日常静电的由来，摩擦电荷的形成依赖于接触材料的摩擦电极性的差别。虽然摩擦起电这一普遍现象被人类认识近千年的时间，但是其形成机制仍然没有被完全研究清楚。目前，比较被认同的一种解释是，在两种材料接触的时候，在其接触处部分位置形成了化学键。电荷从一种材料转移到另一种材料以平衡两者的电化学势。结合摩擦起电和静电感应原理人们已经制备了几种不同的自供能传感器。
传统的能量收集技术主要基于静电感应、电磁感应和压电效应。然而，已经发明的静电感应、存在体积大，适用性窄等缺点，电磁感应发电机和压电发电机则普遍存在结构复杂，对材料有特殊要求和成本较高等缺陷。已发明的静电脉冲发电机在小型化、轻量化及集成化方面有所不足，输出功率密度较小，不能满足对人体运动等生物机械能收集的需要。此外，当前的能量收集器件仅仅用于能量收集和转化，还不能同时实现一体化能量收集-存储双重功能。因此，很有必要设计开发一种能够同时实现风能能量收集-存储的结构单元。
发明内容
本发明给出了一种可重构风能能量收集-存储一体式单元设计与制备方法，该能量收集单元制备工艺步骤简单，加工成本低，体积小，重量轻，柔韧性好，可大批量生产。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种可重构风能能量收集-存储一体式单元，包括：支撑框架3，支撑框架3内部设有铁电摩擦电耦合功能薄膜2和金属电极1，铁电摩擦电耦合功能薄膜2的固定端21在支撑框架3内部一侧与可重构支撑结构4固定连接，铁电摩擦电耦合功能薄膜2的活动端22与支撑框架3不连接，可重构支撑结构4与支撑框架3可拆卸式连接，可重构支撑结构4在支撑框架3内部的位置可调节，金属电极1位于铁电摩擦电耦合功能薄膜2上下两侧，金属电极1用于摩擦起电和导电输出，上下两个金属电极1均接地，支撑框架3顶部设有铁块5；该铁块用于增加器件在气流冲击下的稳定性。
所述铁电摩擦电耦合功能薄膜2包括从上到下堆叠在一起的负性摩擦起电层6、铁电材料层7、正性摩擦起电层8，负性摩擦起电层6、铁电材料层7、正性摩擦起电层8构成介电层-铁电层-介电层的三明治结构，负性摩擦起电层6材料的得电子能力强于正性摩擦起电层8材料的得电子能力，负性摩擦起电层6和正性摩擦起电层8都为柔性材料薄膜；
当调节可重构支撑结构4的位置使铁电摩擦电耦合功能薄膜2与两个金属电极1分离的时候，构成能量收集单元用于收集风能，风能气流从铁电摩擦电耦合功能薄膜2和金属电极1之间的间隙进入，铁电摩擦电耦合功能薄膜2的活动端在气流冲击下上下摆动，与上电极接触摩擦或与下电极接触摩擦；当调节可重构支撑结构4使两层金属电极1与负性摩擦起电层6、铁电材料层7、正性摩擦起电层8构成的三明治结构紧密接触时，整个单元构成了平板电容器，用以存储在正性摩擦起电层、负性摩擦起电层上的摩擦极化电荷。
作为优选方式，负性摩擦起电层6为铁氟龙或聚氟乙烯或聚氯乙烯。
作为优选方式，正性摩擦起电层8为尼龙、或聚氨酯、或氟化镁。
作为优选方式，铁电材料层7材料选自钛酸钡、磷酸二氢钾、钛酸锶钡、铌酸钾钠其中的一种。
作为优选方式，金属电极1采用铝、或金或氧化铟锡导电玻璃(ITO)制备。
作为优选方式，铁电材料层7为厚度为100nm～200nm的薄膜。
作为优选方式，金属电极1厚度范围为30-70微米。
作为优选方式，金属电极1为单电极结构。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种可重构风能能量收集-存储一体式单元的制备方法，包括以下步骤：
①柔性衬底经化学试剂清洗并干燥；
②使用物理气相沉积在柔性衬底上沉积金属导电电极，并通过引线引出接地；
③采用流延法制备铁电薄膜；
④采用热压印在铁电薄膜正反两面分别贴附负性摩擦起电层6和正性摩擦起电层8；负性摩擦起电层6材料的得电子能力强于正性摩擦起电层8材料的得电子能力，而金属电极的等电子能力在这两种材料之间，因此在与金属电极层接触分离的过程中，负性摩擦起电层6表面带上负电荷，而正性摩擦起电层8表面带上正电荷；
⑤将柔性衬底上的金属电极1固定支撑框架3内部，通过可重构支撑结构4将中间的负性摩擦起电层6、铁电材料层7、正性摩擦起电层8构成的三明治结构的固定端支撑在支撑框架3内部，调节支撑框架的高度切换器件能量收集及能量存储两个功能。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种所述单元进行风能能量收集-存储的方法，该方法为：当收集风能时，风能气流从铁电摩擦电耦合功能薄膜2和金属电极1之间的间隙进入，铁电摩擦电耦合功能薄膜2的活动端在气流冲击下上下摆动，与上电极接触摩擦或与下电极接触摩擦；两端金属电极1的摩擦电极序位于负性摩擦起电层6和正性摩擦起电层8之间；因此，在接触分离的过程中，位于上端的金属电极1带上摩擦正电荷，负性摩擦起电层6带上摩擦负电荷；而位于下端的金属电极1带上摩擦负电荷，正性摩擦起电层8带上摩擦正电荷；负性摩擦起电层6的摩擦负电荷、正性摩擦起电层8表面的摩擦正电荷长时间存在，并形成从上到下的电场以极化铁电材料层7；而铁电材料层7的残余极化强度将反过来促进负性摩擦起电层6和正性摩擦起电层8从金属电极1中获取更多的摩擦电荷，这样两个过程相互耦合、共同提升，从而有效地增强摩擦发电机的输出性能。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：本发明通过铁电效应和摩擦电效应的耦合作用，可以自发提高能量收集器件的表面电荷密度和能量转换效率。本发明所述的能量收集器件结构上由金属电极、摩擦起电层、铁电摩擦电耦合功能薄膜构成，利用正反面异号的摩擦电荷形成的电场将铁电薄膜极化，而铁电材料层中的剩余极化将增强摩擦起电薄膜的起电能力，使其表面带有更多的摩擦电荷。该两种效应互相耦合增强，有效地提升了摩擦发电机输出效率。因此，在收集高阻尼振动的过程中，可以保持较高能量转化效率。上下两层金属电极与三明治结构重叠时，构成了平板电容器，可以存储在两个聚合物薄膜上的摩擦极化电荷。这样，该器件可通过结构上的重构分别实现能量收集和能量存储这两种功能。本发明提出的一种铁电摩擦电耦合增强能量收集器件制备过程简单、结构新颖、成本低廉、实用性高、充分利用了自然界的能量。
附图说明
图1本发明单元的整体装置示意图。
图2铁电摩擦电耦合功能薄膜的结构示意图。
图3本发明铁电摩擦电耦合增强发电机理。
图4器件重构后得到的平面电容器结构示意图。
1为金属电极，2为铁电摩擦电耦合功能薄膜，21为固定端，22为活动端，3为支撑框架，4为可重构支撑结构，5为铁块，6为负性摩擦起电层，7为铁电材料层，8为正性摩擦起电层。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
一种可重构风能能量收集-存储一体式单元，包括：支撑框架3，支撑框架3内部设有铁电摩擦电耦合功能薄膜2和金属电极1，铁电摩擦电耦合功能薄膜2的固定端21在支撑框架3内部一侧与可重构支撑结构4固定连接，铁电摩擦电耦合功能薄膜2的活动端22与支撑框架3不连接，可重构支撑结构4与支撑框架3可拆卸式连接，可重构支撑结构4在支撑框架3内部的位置可调节，金属电极1位于铁电摩擦电耦合功能薄膜2上下两侧，金属电极1用于摩擦起电和导电输出，上下两个金属电极1均接地，支撑框架3顶部设有铁块5；该铁块用于增加器件在气流冲击下的稳定性。
所述铁电摩擦电耦合功能薄膜2包括从上到下堆叠在一起的负性摩擦起电层6、铁电材料层7、正性摩擦起电层8，负性摩擦起电层6、铁电材料层7、正性摩擦起电层8构成介电层-铁电层-介电层的三明治结构，负性摩擦起电层6材料的得电子能力强于正性摩擦起电层8材料的得电子能力，负性摩擦起电层6和正性摩擦起电层8都为柔性材料薄膜；
当调节可重构支撑结构4的位置使铁电摩擦电耦合功能薄膜2与两个金属电极1分离的时候，构成能量收集单元用于收集风能，风能气流从铁电摩擦电耦合功能薄膜2和金属电极1之间的间隙进入，铁电摩擦电耦合功能薄膜2的活动端在气流冲击下上下摆动，与上电极接触摩擦或与下电极接触摩擦；当调节可重构支撑结构4使两层金属电极1与负性摩擦起电层6、铁电材料层7、正性摩擦起电层8构成的三明治结构紧密接触时，整个单元构成了平板电容器，用以存储在正性摩擦起电层、负性摩擦起电层上的摩擦极化电荷。
优选的，负性摩擦起电层6为铁氟龙或聚氟乙烯或聚氯乙烯。正性摩擦起电层8为尼龙、或聚氨酯、或氟化镁。铁电材料层7材料选自钛酸钡、磷酸二氢钾、钛酸锶钡、铌酸钾钠其中的一种。金属电极1采用铝、或金或氧化铟锡导电玻璃(ITO)制备。铁电材料层7为厚度为100nm～200nm的薄膜。金属电极1厚度范围为30-70微米。金属电极1为单电极结构。
本实施例还提供一种可重构风能能量收集-存储一体式单元的制备方法，包括以下步骤：
①柔性衬底经化学试剂清洗并干燥；
②使用物理气相沉积在柔性衬底上沉积金属导电电极，并通过引线引出接地；
③采用流延法制备铁电薄膜；
④采用热压印在铁电薄膜正反两面分别贴附负性摩擦起电层6和正性摩擦起电层8；负性摩擦起电层6材料的得电子能力强于正性摩擦起电层8材料的得电子能力，而金属电极的等电子能力在这两种材料之间，因此在与金属电极层接触分离的过程中，负性摩擦起电层6表面带上负电荷，而正性摩擦起电层8表面带上正电荷；
⑤将柔性衬底上的金属电极1固定支撑框架3内部，通过可重构支撑结构4将中间的负性摩擦起电层6、铁电材料层7、正性摩擦起电层8构成的三明治结构的固定端支撑在支撑框架3内部，调节支撑框架的高度切换器件能量收集及能量存储两个功能。
本实施例还提供一种利用所述一体式单元进行风能能量收集-存储的方法，该方法为：当收集风能时，风能气流从铁电摩擦电耦合功能薄膜2和金属电极1之间的间隙进入，铁电摩擦电耦合功能薄膜2的活动端在气流冲击下上下摆动，与上电极接触摩擦或与下电极接触摩擦；两端金属电极1的摩擦电极序位于负性摩擦起电层6和正性摩擦起电层8之间；因此，在接触分离的过程中，位于上端的金属电极1带上摩擦正电荷，负性摩擦起电层6带上摩擦负电荷；而位于下端的金属电极1带上摩擦负电荷，正性摩擦起电层8带上摩擦正电荷；负性摩擦起电层6的摩擦负电荷、正性摩擦起电层8表面的摩擦正电荷长时间存在，并形成从上到下的电场以极化铁电材料层7；而铁电材料层7的残余极化强度将反过来促进负性摩擦起电层6和正性摩擦起电层8从金属电极1中获取更多的摩擦电荷，这样两个过程相互耦合、共同提升，从而有效地增强摩擦发电机的输出性能。
该能量收集器件的发电原理如图3所示。由于采用的是接触-分离式单电极结构(图3(a))，当铁电摩擦电耦合功能薄膜与金属电极层在气流作用下发生了物理接触，由于摩擦电极性的差别，得电子能力强的材料将从得电子能力弱的材料上吸引电子，从而使得摩擦电-铁电-摩擦电三明治结构上下两个面带上等量异号的电荷(图3(b),(c))，即负性摩擦起电层6和正性摩擦起电层8表面的摩擦负电荷和摩擦正电荷将长时间存在，并形成从上到下的电场以极化铁电材料层7(图3(d))；而铁电薄膜的残余极化强度将反过来促进摩擦起电层从金属电极中获取更多的摩擦电荷(图3(e),(g))。这样两个过程相互耦合、共同提升，从而有效地增强摩擦发电机的输出性能(图3(X))。
此外，本发明的可重构结构设计可以实现能量收集和能量存储。聚合物薄膜摩擦电-铁电-摩擦电三明治薄膜结构上为介电层-铁电层-介电层，当其与两个金属电极分离的时候，构成了能量收集单元可以用于收集风能；当两层金属电极与三明治结构重叠时，构成了平板电容器(图4)，可以存储在两个聚合物薄膜上的摩擦极化电荷。由此，当需要驱动后端元件时，可以将后端元件置于电容器电极两端实现对其持续的供电。这样，该器件可通过结构上的重构分别实现能量收集和能量存储这两种功能。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种可重构风能能量收集-存储一体式单元，其特征在于包括：支撑框架(3)，支撑框架(3)内部设有铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)和金属电极(1)，铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)的固定端(21)在支撑框架(3)内部一侧与可重构支撑结构(4)固定连接，铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)的活动端(22)与支撑框架(3)不连接，可重构支撑结构(4)与支撑框架(3)可拆卸式连接，可重构支撑结构(4)在支撑框架(3)内部的位置可调节，金属电极(1)位于铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)上下两侧，金属电极(1)用于摩擦起电和导电输出，上下两个金属电极(1)均接地，支撑框架(3)顶部设有铁块(5)；
所述铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)包括从上到下堆叠在一起的负性摩擦起电层(6)、铁电材料层(7)、正性摩擦起电层(8)，负性摩擦起电层(6)、铁电材料层(7)、正性摩擦起电层(8)构成介电层-铁电层-介电层的三明治结构，负性摩擦起电层(6)材料的得电子能力强于正性摩擦起电层(8)材料的得电子能力，负性摩擦起电层(6)和正性摩擦起电层(8)都为柔性材料薄膜；
当调节可重构支撑结构(4)的位置使铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)与两个金属电极(1)分离的时候，构成能量收集单元用于收集风能，风能气流从铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)和金属电极(1)之间的间隙进入，铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)的活动端在气流冲击下上下摆动，与上电极接触摩擦或与下电极接触摩擦；当调节可重构支撑结构(4)使两层金属电极(1)与负性摩擦起电层(6)、铁电材料层(7)、正性摩擦起电层(8)构成的三明治结构紧密接触时，整个单元构成了平板电容器，用以存储在正性摩擦起电层、负性摩擦起电层上的摩擦极化电荷。
2.根据权利要求1所述的一种可重构风能能量收集-存储一体式单元，其特征在于：负性摩擦起电层(6)为铁氟龙或聚氟乙烯或聚氯乙烯。
3.根据权利要求1所述的一种可重构风能能量收集-存储一体式单元，其特征在于：正性摩擦起电层(8)为尼龙、或聚氨酯、或氟化镁。
4.根据权利要求1所述的一种可重构风能能量收集-存储一体式单元，其特征在于：铁电材料层(7)材料选自钛酸钡、磷酸二氢钾、钛酸锶钡、铌酸钾钠其中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种可重构风能能量收集-存储一体式单元，其特征在于：金属电极(1)采用铝或金制备。
6.根据权利要求1所述的一种可重构风能能量收集-存储一体式单元，其特征在于：铁电材料层(7)为厚度为100nm～200nm的薄膜。
7.根据权利要求1所述的一种可重构风能能量收集-存储一体式单元，其特征在于：金属电极(1)厚度范围为30-70微米。
8.根据权利要求1所述的一种可重构风能能量收集-存储一体式单元，其特征在于：金属电极(1)为单电极结构。
9.权利要求1至8任意一项所述的一种可重构风能能量收集-存储一体式单元的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
①柔性衬底经化学试剂清洗并干燥；
②使用物理气相沉积在柔性衬底上沉积金属导电电极，并通过引线引出接地；
③采用流延法制备铁电薄膜；
④采用热压印在铁电薄膜正反两面分别贴附负性摩擦起电层(6)和正性摩擦起电层(8)；负性摩擦起电层(6)材料的得电子能力强于正性摩擦起电层(8)材料的得电子能力，而金属电极的得电子能力在这两种材料之间，因此在与金属电极层接触分离的过程中，负性摩擦起电层(6)表面带上负电荷，而正性摩擦起电层(8)表面带上正电荷；
⑤将柔性衬底上的金属电极(1)固定在支撑框架(3)内部，通过可重构支撑结构(4)将中间的负性摩擦起电层(6)、铁电材料层(7)、正性摩擦起电层(8)构成的三明治结构的固定端支撑在支撑框架(3)内部，调节支撑框架的高度切换单元的能量收集及能量存储两个功能。
10.利用权利要求1至8任意一项所述单元进行风能能量收集-存储的方法，其特征在于：当收集风能时，风能气流从铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)和金属电极(1)之间的间隙进入，铁电摩擦电耦合功能薄膜(2)的活动端在气流冲击下上下摆动，与上电极接触摩擦或与下电极接触摩擦；两端金属电极(1)的摩擦电极序位于负性摩擦起电层(6)和正性摩擦起电层(8)之间；因此，在接触分离的过程中，位于上端的金属电极(1)带上摩擦正电荷，负性摩擦起电层(6)带上摩擦负电荷；而位于下端的金属电极(1)带上摩擦负电荷，正性摩擦起电层(8)带上摩擦正电荷；负性摩擦起电层(6)的摩擦负电荷、正性摩擦起电层(8)表面的摩擦正电荷长时间存在，并形成从上到下的电场以极化铁电材料层(7)；而铁电材料层(7)的残余极化强度将反过来促进负性摩擦起电层(6)和正性摩擦起电层(8)从金属电极(1)中获取更多的摩擦电荷，这样两个过程相互耦合、共同提升，从而有效地增强摩擦发电机的输出性能。
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