CN113054867B - 一种双工作模式电源及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双工作模式电源及其制备方法与应用。该双工作模式电源制备方法包括：a.金属箔的选择和裁剪；b.摩擦材料的选择和制备，并将摩擦材料与金属箔进行贴附；c.选择合适的间隔物形成间隔空腔；d.封装材料的选择和制备；e.使用类三明治方法进行真空热封装或热固化封装，即得到用于可穿戴和可植入电子设备的双工作模式电源。本发明将摩擦纳米发电机和原电池进行了结合，在不同工作模式下都具有良好的应用能力，并且结构简单易于制备，在可穿戴以及可植入电子设备领域具有潜在的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于电源领域，具体涉及一种双工作模式电源及其制备方法与应用。
背景技术
随着社会的发展，科学技术水平的提高，人们对于医疗健康领域投入了更多的关注，不断涌现的体内外诊断以及治疗方法也对电源供给提出了新的要求。可穿戴设备是一类智能电子设备，可穿戴在皮肤附近或者表面进行检测，分析，并传送有关人体信号和环境数据信息，在一定支持下可将生物信息立即反馈给佩戴者。可植入电子设备是一种新兴的技术，可以植入到人体中进行诊断和治疗。应用于可穿戴以及可植入电子设备的电源，其可以主要分为能量储存和能量收集两种电源形式。由于电源对可穿戴和可植入电子设备进行了结构适应，电源改变传统的刚性结构进而转变为柔性的结构，导致一些传统高效的电源结构使用受到限制，能量密度有着不同程度的下降，导致缩短了其有效工作时间，限制了为可穿戴以及可植入电子设备的长期正常供电。
同时能量储存和能量收集电源都有相应的输出特性，例如，摩擦纳米发电机是一种能量收集型电源，其主要特征是可以收集外界机械能并转化为电能，输出电压较高，输出电流密度较小，输出功率较低；原电池是一种能量储存型电源，其主要特征是消耗自身电势能进行放电，输出电压一般较低，输出电流密度较大，输出功率较高。但是由于负载电路组成的多样性，有的需要高启动电压，有的需要大功率密度，单独的一种电源往往无法满足复杂负载电路的正常运行。而且目前广泛应用的电源中，大部分电源都有一定的生物毒性，在使用过程中有造成人体损伤的风险，同时电源结构组合较为单一，制备流程较为复杂，需要更多的时间和材料成本。
发明内容
为解决现有用于可穿戴和可植入电子设备电源设备的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种双工作模式电源及其制备方法与应用。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种双工作模式电源，包括依次层叠设置的第一电极层、第一摩擦材料层、第二摩擦材料层和第二电极层；
其中，所述第一摩擦材料层和第二摩擦材料层之间设有支撑部，所述支撑部使第一摩擦材料层和第二摩擦材料层之间形成分离空间；所述第一摩擦材料层和第二摩擦材料层具有不同的电负性；所述第一电极层和第二电极层具有不同的标准电极电势。
优选的，所述第一摩擦材料层和第二摩擦材料层所用材料为聚乳酸薄膜、明胶薄膜、壳聚糖薄膜、丝素蛋白薄膜、聚乳酸-羟基乙酸共聚物薄膜、聚己内酯薄膜、透明质酸薄膜、米纸薄膜或海藻酸钠薄膜。
优选的，所述第一电极层和第二电极层为金属层或合金层。
优选的，所述第一电极层和第二电极层的材料为镁、铁、锌、钼、铝、镁合金、铁合金、锌合金、钼合金或铝合金。
优选的，所述第一电极层和第二电极层为镁—铁组合，所述第一摩擦材料层和第二摩擦材料层为聚乳酸薄膜—明胶薄膜组合。
优选的，所述支撑部的材料为聚硅氧烷、明胶、壳聚糖、丝素蛋白、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚己内酯、透明质酸或海藻酸钠。
优选的，将电解质溶液浸入双工作模式电源进行使用；所述电解质溶液为铁或亚铁离子的盐溶液、人体组织液、磷酸缓冲盐溶液、模拟体液中的一种或多种。
优选的，所述第一电极层和第二电极层表面引出导线；所述双工作模式电源使用封装材料封装。
优选的，当双工作模式电源在体内使用时，封装材料为聚乳酸、聚己内酯或丝素蛋白；当双工作模式电源在体外使用时，封装材料为聚硅氧烷。
优选的，所述第一电极层、第一摩擦材料层、第二摩擦材料层和第二电极层裁剪尺寸为1-10cm*1-10cm。
以上所述的一种双工作模式电源的制备方法，包括以下步骤：
(1)将第一电极层与第二电极层使用砂纸进行打磨，在第一电极层与第二电极层表面引出导线；
(2)将第一摩擦材料层和第二摩擦材料层所用材料分别溶解于溶剂中，使用静电纺丝或冷冻干燥的方式获得第一摩擦材料层和第二摩擦材料层薄膜，再将第一摩擦材料层和第二摩擦材料层薄膜分别贴附在第一电极层与第二电极层表面上；
(3)使用支撑部将第一电极层、第一摩擦材料层与第二摩擦材料层、第二电极层相隔开；
(4)将封装材料溶解于溶剂中，再倒入模具中，待风干后得到封装材料薄膜；或者直接使用封装材料溶液，将溶液倾倒在旋涂基底上，通过旋涂、固化得到封装材料薄膜；
(5)使用封装材料薄膜，类似三明治结构将第一电极层、第一摩擦材料层、第二摩擦材料层、第二电极层和支撑部夹在其中，形成空腔，使用加热封装或固化的方法完成封装，沿边缘裁剪，最终得到双工作模式电源。
优选的，步骤(2)中，经静电纺丝方法制备的摩擦材料，是将材料溶解于有机溶剂中形成纺丝液，溶解搅拌时间为1-48h，溶剂包括但不限于：六氟异丙醇、三氯甲烷，材料与溶剂的质量体积比为1-30w/v％，纺丝电压为1-25kv，纺丝时间为1-120min，完成后放置于30-60℃烘箱干燥1-24h，得到具有粗糙表面的摩擦材料薄膜。
优选的，步骤(2)中，经冷冻干燥方法制备的摩擦材料，是将材料溶解在水中，在50-100℃水浴下加热搅拌形成多泡溶液，将溶液倒入模具，材料溶液的质量分数为1-20wt％，将模具放置于-80至-10℃冰箱中1-24h进行预冻，之后将预冻好的材料放置冷冻干燥机进行冷冻干燥，时间为1-5d，将得到的冷冻干燥好的材料进行压片，压力为5-200kg/cm2，压片时间为1-20min，得到具有粗糙表面的摩擦材料薄膜。
优选的，步骤(4)中，封装材料与溶剂的质量体积比为1-30w/v％，风干时间为1-48h。
优选的，步骤(4)中，旋涂的速度为100-4000rpm，旋涂的时间为2-40s，固化温度＞20℃，固化时间10min-1d。
优选的，步骤(4)中，封装材料薄膜裁剪的尺寸为1-15cm*1-15cm。
优选的，步骤(5)中，加热封装的温度为＞170℃，时间5-20s。
优选的，步骤(5)中，加热固化的温度为＞20℃，时间10min-1d。
优选的，步骤(5)中，双工作模式电源由上而下材料的顺序分别为：封装材料薄膜、第一电极层、第一摩擦材料层、支撑部、第二摩擦材料层、第二电极层、封装材料薄膜。
以上所述的一种双工作模式电源在制备可穿戴和可植入电子设备中的应用。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：
(1)本发明所用材料均具备良好的生物相容性，而且来源广泛。
(2)本发明将摩擦纳米发电机与原电池进行结合，使得双工作模式的电源得以构建，兼具两种电源的优点，可在不同场景下展现高输出电压、高输出电流以及高功率密度的特点。
(3)本发明材料组合灵活多样，制备工艺简单，反应条件温和。
附图说明
图1为本发明双工作模式电源的结构示意图。
图2为实施例1双工作模式电源的制备流程示意图。
图3为实施例1双工作模式电源连接LED工作实物图。
图4为实施例1双工作模式电源在湿态下带动45个并联LED工作的观察窗口实物图以及工作时输出电压和电流曲线图。
图5为实施例1双工作模式电源在干态下带动45个串联LED工作的观察窗口实物图以及工作时输出电压和电流曲线图。
图6为实施例3制备的双工作模式电源植入到新西兰兔心脏附近的实物图及其工作时输出电压曲线图。
具体实施方式
以下结合具体实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细的描述，但本发明的保护范围及实施方式不限于此。
本发明双工作模式电源的结构示意图见图1，该双工作模式电源包括依次层叠设置的第一电极层1、第一摩擦材料层3、第二摩擦材料层4和第二电极层2；
其中，所述第一摩擦材料层和第二摩擦材料层之间设有支撑部5，所述支撑部使第一摩擦材料层和第二摩擦材料层之间形成分离空间7；所述第一摩擦材料层和第二摩擦材料层具有不同的电负性；所述第一电极层和第二电极层具有不同的标准电极电势。
进一步的，所述双工作模式电源使用封装材料6封装。
实施例1
将金属箔Mg与Fe使用砂纸打磨，裁剪至3.5*3.5cm2，并在金属箔表面引出导线。取聚乳酸0.6g溶解在3ml六氟异丙醇中，在室温下搅拌溶解12h得到聚乳酸纺丝液，使用金属镁箔作为收集基板，纺丝电压为10kv，纺丝时间10min，之后放置于40℃烘箱中12h去除溶剂，得到聚乳酸/Mg组合件。取明胶10g溶解在90ml去离子水中，在60℃水浴下加热搅拌形成多泡溶液，将溶液倒入模具中，将模具放置于-20℃冰箱中预冻12h，再将预冻好的材料放于冷冻干燥机进行冷冻干燥3d，得到冻干之后的多孔明胶材料，与铁箔一起在150kg/cm2的压力下压片5min，得到明胶/铁组合件。将聚二甲基硅氧烷与固化剂以质量比10:1进行混合，取10ml混合溶液倒至旋涂基板上，在2000rpm下旋涂10s，把基板放置于100℃加热台30min完成固化，将聚二甲基硅氧烷薄膜揭下裁剪至4.5*4.5cm2。按照相同方法制备此聚二甲基硅氧烷薄膜3张，取其中一张裁剪出两个3.5*0.2cm2的矩形间隔物条。在已经固化的聚二甲基硅氧烷薄膜上再旋涂一层未固化的聚二甲基硅氧烷与固化剂的混合溶液，按顺序由上而下组合材料：聚二甲基硅氧烷薄膜、铁箔、明胶薄膜、聚二甲基硅氧烷间隔物条、聚乳酸纺丝膜、镁箔、聚二甲基硅氧烷薄膜，其中两聚二甲基硅氧烷薄膜有未固化的一面相对，整个结构放置在40℃的加热台上继续固化1d完成封装，沿边缘裁剪，最终得到用于可穿戴和可植入电子设备的双工作模式电源，制备流程示意图见图2。
图3为本实施例所得两个电源进行串联，分别连接45个并联和串联的LED灯电路连接LED进行工作的实物图。
图4为本实施例所得两个电源进行串联，电源浸入电解质溶液(0.2mol/L硫酸亚铁溶液)后，湿态下带动45个并联LED进行工作的观察窗口实物图以及工作时输出电压和电流的数据。输出电压为1.6v左右，输出电流为mA级别。
图5为本实施例所得两个电源进行串联，在干态下带动45个串联LED进行工作的观察窗口实物图以及工作时输出电压和电流的数据。输出电压在78v左右，输出电流为μA级别。
图4和图5清晰表明了复合电源作为摩擦纳米发电机以及原电池的电学输出特性差异，作为摩擦纳米发电机工作时输出电压较高，输出电流较低；作为原电池工作时输出电压较低，输出电流较大。
实施例2
将金属箔镁合金AZ31B与Fe使用砂纸打磨，裁剪至2*2cm2，并在金属箔表面引出导线。取聚乳酸1g溶解在4ml六氟异丙醇中，在室温下搅拌溶解12h得到聚乳酸纺丝液，使用金属AZ31B箔作为收集基板，纺丝电压为15kv，纺丝时间30min，之后放置于45℃烘箱中12h去除溶剂，得到聚乳酸/AZ31B组合件。取明胶20g溶解在80ml去离子水中，在80℃水浴下加热搅拌形成多泡溶液，将溶液倒入模具中，将模具放置于-80℃冰箱中预冻6h，再将预冻好的材料放于冷冻干燥机进行冷冻干燥2d，得到冻干之后的多孔明胶材料，与铁箔一起在100kg/cm2的压力下压片5min，得到明胶/铁组合件。将聚二甲基硅氧烷与固化剂以质量比10:1进行混合，取10ml混合溶液倒至旋涂基板上，在1500rpm下旋涂10s，把基板放置于80℃加热台30min完成固化，将聚二甲基硅氧烷薄膜揭下裁剪至3*3cm2。按照相同方法制备此聚二甲基硅氧烷薄膜3张，取其中一张裁剪出两个2*0.2cm2的矩形间隔物条。在已经固化的聚二甲基硅氧烷薄膜上再旋涂一层未固化的聚二甲基硅氧烷与固化剂的混合溶液，按顺序由上而下组合材料：聚二甲基硅氧烷薄膜、AZ31B箔、聚乳酸纺丝膜、聚二甲基硅氧烷间隔物条、明胶薄膜、铁箔、聚二甲基硅氧烷薄膜，其中两聚二甲基硅氧烷薄膜有未固化的一面相对，整个结构放置在45℃的加热台上继续固化12h完成封装，沿边缘裁剪，最终得到用于可穿戴和可植入电子设备的双工作模式电源。
实施例3
将金属箔Mg与Fe使用砂纸打磨，裁剪至2*3cm2，并在金属箔表面引出导线。取聚乳酸0.3g溶解在3ml六氟异丙醇中，在室温下搅拌溶解24h得到聚乳酸纺丝液，使用金属镁箔作为收集基板，纺丝电压为8kV，纺丝时间60min，之后放置于50℃烘箱中12h去除溶剂，得到聚乳酸/Mg组合件。取明胶5g溶解在95ml去离子水中，在75℃水浴下加热搅拌形成多泡溶液，将溶液倒入模具中，将模具放置于-20℃冰箱中预冻24h，再将预冻好的材料放于冷冻干燥机进行冷冻干燥5d，得到冻干之后的多孔明胶材料，与铁箔一起在150kg/cm2的压力下压片10min，其中只压中间2*2.5cm2区域，边缘未压部分作为间隔物使用，得到明胶/铁组合件。取聚乳酸1.5g，溶解在60ml六氟异丙醇中，搅拌溶解24h，之后将溶液倒入模具中，在常温下风干48h得到聚乳酸薄膜，裁剪至2.5*3.5cm2，使用相同方法制备此聚乳酸薄膜2张。按顺序由上而下组合材料：聚乳酸薄膜、镁箔、聚乳酸纺丝膜、明胶间隔物、明胶薄膜、铁箔、聚乳酸薄膜，使用抽真空热封机对最下和最上的两张聚乳酸薄膜进行热封装，最终得到用于可穿戴和可植入电子设备的双工作模式电源。
如图6所示，将本实施例制备的双工作模式电源植入到新西兰兔心脏附近，收集心脏搏动所产生的机械能，并收集其电压输出。
图6为本实施例所得电源植入到新西兰兔心脏附近，在心脏搏动下驱动工作，进行电压输出，大小约为1.2v。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种双工作模式电源，其特征在于，包括依次层叠设置的第一电极层、第一摩擦材料层、第二摩擦材料层和第二电极层；
其中，所述第一摩擦材料层和第二摩擦材料层之间设有支撑部，所述支撑部使第一摩擦材料层和第二摩擦材料层之间形成分离空间；所述第一摩擦材料层和第二摩擦材料层具有不同的电负性；所述第一电极层和第二电极层具有不同的标准电极电势；
所述双工作模式电源包括摩擦纳米发电机模式和原电池模式；
其中，当双工作模式电源为原电池模式时，将电解质溶液浸入双工作模式电源进行使用；所述电解质溶液为铁或亚铁离子的盐溶液、人体组织液、磷酸缓冲盐溶液、模拟体液中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的一种双工作模式电源，其特征在于，所述第一摩擦材料层和第二摩擦材料层所用材料为聚乳酸薄膜、明胶薄膜、壳聚糖薄膜、丝素蛋白薄膜、聚乳酸-羟基乙酸共聚物薄膜、聚己内酯薄膜、透明质酸薄膜、米纸薄膜或海藻酸钠薄膜。
3.根据权利要求2所述的一种双工作模式电源，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层为金属层或合金层。
4.根据权利要求3所述的一种双工作模式电源，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层的材料为镁、铁、锌、钼、铝、镁合金、铁合金、锌合金、钼合金或铝合金。
5.根据权利要求4所述的一种双工作模式电源，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层为镁—铁组合，所述第一摩擦材料层和第二摩擦材料层为聚乳酸薄膜—明胶薄膜组合。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种双工作模式电源，其特征在于，所述支撑部的材料为聚硅氧烷、明胶、壳聚糖、丝素蛋白、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚己内酯、透明质酸或海藻酸钠；所述第一电极层和第二电极层表面引出导线；所述双工作模式电源使用封装材料封装。
7.根据权利要求6所述的一种双工作模式电源，其特征在于，当双工作模式电源在体内使用时，封装材料为聚乳酸、聚己内酯、聚乳酸-羟基乙酸共聚物或丝素蛋白；当双工作模式电源在体外使用时，封装材料为聚硅氧烷。
8.权利要求1-7任一项所述的一种双工作模式电源的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将第一电极层与第二电极层使用砂纸进行打磨，在第一电极层与第二电极层表面引出导线；
（2）将第一摩擦材料层和第二摩擦材料层所用材料分别溶解于溶剂中，使用静电纺丝或冷冻干燥的方式获得第一摩擦材料层和第二摩擦材料层薄膜，再将第一摩擦材料层和第二摩擦材料层薄膜分别贴附在第一电极层与第二电极层表面上；
（3）使用支撑部将第一电极层、第一摩擦材料层与第二摩擦材料层、第二电极层相隔开；
（4）将封装材料溶解于溶剂中，再倒入模具中，待风干后得到封装材料薄膜；或者直接使用封装材料溶液，将溶液倾倒在旋涂基底上，通过旋涂、固化得到封装材料薄膜；
（5）使用封装材料薄膜将第一电极层、第一摩擦材料层、第二摩擦材料层、第二电极层和支撑部夹在其中，形成空腔，使用加热的方法完成封装，沿边缘裁剪，最终得到双工作模式电源。
9.权利要求1-7任一项所述的一种双工作模式电源在制备可穿戴和可植入电子设备中的应用。
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