CN113364337A

CN113364337A - 一种柔性单电极摩擦纳米发电机

Info

Publication number: CN113364337A
Application number: CN202110703563.7A
Authority: CN
Inventors: 赵军伟; 王玉江; 陈朝辉; 宋肖江; 周安琪; 马云飞
Original assignee: Luoyang Institute of Science and Technology
Current assignee: Luoyang Institute of Science and Technology
Priority date: 2021-06-24
Filing date: 2021-06-24
Publication date: 2021-09-07

Abstract

本发明涉及一种柔性单电极摩擦纳米发电机，包括三层结构，上层为较薄的硅胶片，用于作为摩擦层，下层为较厚的硅胶片，用于作为支撑层，摩擦层和支撑层之间是柔性导电布。本发明以液体硅胶、柔性导电布、铜箔和铜线为原料，制备出一种简单易推广的柔性单电极摩擦纳米发电机S‑TENG，制备的S‑TENG具有良好的柔性、稳定性和低频机械能量收集功能。能将收集的低频机械能有效地转换为电能，并能够点亮240颗LED灯珠，驱动电子手表和小型计算器。本发明具有方法简单，成本低，电学输出性能高，稳定性好，易于大规模生产的优点，制备得到的S‑TENG样品在新型电子器件和生物医学领域具有重要的潜在应用价值。

Description

一种柔性单电极摩擦纳米发电机

技术领域

本发明涉及纳米新能源器件及其制备技术领域，具体是一种柔性单电极摩擦纳米发电机。

背景技术

随着全球经济和社会的发展，能源问题成为大家关注并亟待解决的问题。传统的火力发电、风能、水能和太阳能等都是集中式的能源供给。除此之外，在我们生活的周围存在很多低频的机械能，这些能量常常都是被浪费掉的。例如：人体每天都在做一些机械动作，如果把这些清洁能量收集起来并转化为电能，则可以为一些便携的电子产品供电。摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerators，TENGs)的出现为这实现这一设想提供了可能。TENGs自2012年被王中林小组发现以来受到了广泛的关注(Nano Energy,2012,1,328-334)。截止到目前，一共有四种运动模式的TENGs。单电极模式是其中的一种。在某些情况下，TENGs的某些部分作为运动部件不方便通过电线和电极进行电气连接，如人在地板上行走。单电极摩擦纳米发电机(S-TENG)可以有效地解决这个问题。因此，柔性S-TENG特别适合于获取生物体产生的机械能量。

目前，摩擦电纳米发电机的大规模工业制造和商业应用面临许多潜在的困难和挑战，包括材料选择、功率输出、成本效益等[Adv.Mater.2020,32,1902549]。因此，到目前为止，TENG的研究热点主要集中在结构设计、材料选择、性能优化、电源管理、应用探索等方面[Adv.Mater.2020,32,1902549,Nano Energy,2021,84,105919]。在材料选择方面，自然界中的大多数材料都具有摩擦带电特性，这为TENG的制备提供了无限的可能性。这是TENG的魅力之一。这些材料包括用于摩擦带电的摩擦材料和用于电极的导电材料。很多种具有自身优点的可变形柔性材料都可以用来制造各种柔性TENG。然而，考虑到柔性TENG的一些具体要求，有必要选择合适的柔性材料来满足不同应用场景的需要[Nano Energy,2021,84,105919]。

为了进一步提高S-TENG的柔韧性，各种导电材料，如银纳米线[AdvancedMaterials,2016,28,10024-10032]、炭黑/纳米管[ACS Nano,2016,10,6519-6525]、液态金属[ACS Nano,2018,12,2027-2034]、离子水凝胶[Nano Energy,2019,59,302-310]和针织导电纤维/纱线[Advanced Materials,2020,32,1902549]，已被开发为可穿戴电子产品的TENG柔性电极。然而，这些TENGs或多或少都有自己的缺点[Advanced FunctionalMaterials,2020,31,2007221]。例如，基于离子液体或水凝胶制备的S-TENG存在液体或水凝胶沿导电丝流出的现象，影响了其稳定性和耐久性。因此，选择合格的柔性材料研发出简单易推广、性能稳定的S-TENG本身就是非常大的创新。

发明内容

本发明的目的在于提出一种柔性单电极摩擦纳米发电机，该单电极摩擦纳米发电机具有良好的柔性、稳定性和低频机械能量收集功能，能将收集的低频机械能有效地转换为电能，并能够点亮240颗LED灯珠，驱动电子手表和小型计算器。作为一种新型的低频能量收集器件，制备的S-TENG能够收集人体运动的能量，例如拍手、手腕运动和走路等的能量。作为一种新型的传感器，制备的S-TENG能够监测一些人体的运动信号，例如手指运动、腹部呼吸和面部咀嚼等。所得产品在新型电子器件和生物医学领域具有重要的潜在应用价值。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的，依据本发明提出的一种柔性单电极摩擦纳米发电机，包括三层结构，上层为较薄的硅胶片，用于作为摩擦层，下层为较厚的硅胶片，用于作为支撑层，摩擦层和支撑层之间是柔性导电布。

进一步地，所述上层硅胶片的厚度为0.1-1毫米，下层硅胶片的厚度为0.5-4.5毫米。

进一步地，所述上层硅胶片的厚度为0.5毫米，下层硅胶片的厚度为2.5毫米。

前述的柔性单电极摩擦纳米发电机是按照以下方法制备的：

1)将液体硅胶和固化剂混合，用玻璃棒沿一个方向搅拌均匀，然后将其注入到模具的第一阶梯的凹槽中，在室温下等待硅胶完全固化，得到下层硅胶片；

2)取适当长度和宽度的柔性导电布，厚度约为0.1毫米，裁成所需形状，然后平铺到步骤1)所得下层硅胶片上，导电布留出一条细小的尾巴伸到硅胶片以外，方便后期连接导线；

3)再取液体硅胶和固化剂将其混合，用玻璃棒沿一个方向搅拌均匀，然后注入到模具的第二阶梯的凹槽中，在室温下等待硅胶完全固化，得到上层硅胶片；

4)用锋利的刀片沿着模具的第一阶梯的凹槽内壁划一周，轻轻取出硅胶片，在导电布的尾巴上连接上导线，得到柔性单电极摩擦纳米发电机，所制备的柔性单电极摩擦纳米发电机的厚度为1-6毫米。

进一步地，步骤1)和步骤3)中液体硅胶和固化剂的体积比为100:2.5。

进一步地，步骤1)和步骤3)中所述的固化剂为正硅酸丙酯。

进一步地，所述的模具为亚克力模具。

进一步地，所述第一阶梯凹槽的厚度大于第二阶梯凹槽的厚度。

进一步地，所述第一阶梯凹槽的厚度为0.5-4.5毫米，第二阶梯凹槽的厚度为0.1-1毫米。

进一步地，所述柔性单电极摩擦纳米发电机能收集人体低频机械能并转换为电能，点亮240颗LED灯珠；或者用作传感器，监测人体的运动信号。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明以液体硅胶、导电布和铜线为原料，用铜箔包裹连接导电布和铜线制成柔性导电布，研发出了一种简单易推广的柔性单电极摩擦纳米发电机(single-electrodetriboelectric nanogenerator，S-TENG)，制备的S-TENG具有良好的柔性、稳定性和低频机械能量收集功能。制备的S-TENG能将收集的低频机械能有效地转换为电能，并能够点亮240颗LED灯珠，驱动电子手表和小型计算器。制备的S-TENG还可以作为一种新型的低频能量收集器件，能够收集人体运动的能量，例如拍手、手腕运动和走路等的能量。或者作为一种新型的传感器，能够监测一些人体的运动信号，例如手指运动、腹部呼吸和面部咀嚼等。所得产品在新型电子器件和生物医学领域具有重要的潜在应用价值。

现有文献报道的柔性TENG所用的柔性电极大部分为现场制备所得，所制备的柔性电极存在明显的缺点，例如，基于离子液体或水凝胶制备的S-TENG，存在液体或水凝胶沿导电丝流出的现象，影响了其稳定性和耐久性。本发明所采用的导电布是由直径非常小的红铜线编制而成，柔性好，导电性强，价格便宜，有利于大规模生产。所制备的S-TENG样品具有方法简单，成本低，电学输出性能高，稳定性好，易于大规模生产的优点。本发明专利制备得到的S-TENG样品在新型电子器件和生物医学领域具有重要的潜在应用价值。

附图说明

图1是本发明样品制备技术路线图；

图2是实施例1所制备的S-TENG样品的实物图；

图3是制备的S-TENG的工作原理图；

图4是实施例1-实施例5所制备的五个样品的实物图；

图5是以脱脂牛皮为正电荷摩擦层，1#S-TENG的性能测试结果。

图6是1#S-TENG的性能表征。

图7是S-TENG样品用于收集人体运动能量的实例。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的内容，下面将结合实施例和附图来进一步阐述本发明。本实施例以本发明的技术为基础实施，给出了详细的实施方式和操作步骤，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

本发明所采用的导电布是由直径非常小的红铜线编制而成，柔性好，导电性强，价格便宜。本发明设计制备了一种新型的S-TENG，通过改进实验方法，首先在亚克力模具中制备一层厚度可控的硅胶片，然后在硅胶片上铺设一层由细铜线织成的导电布，最后再制备一层硅胶片覆盖住导电布，最终形成了三明治结构的硅胶片/导电布/硅胶片复合结构的S-TENG。包覆的硅胶片可以对内部的导电布起到很好的保护作用，防止其氧化，提高导电性。上层较薄的硅胶片是摩擦层，在和极性相反的物质接触时能够产生异号的摩擦电荷。中间的导电布是柔性电极，通过静电感应能产生和硅胶片上符号相反的感应电荷。下层较厚的硅胶片主要起到保护和支撑作用。现有少量文献报道了以液态硅胶为原理制备S-TENG。所用的电极材料主要有液态金属、离子液体、导电凝胶或金属(铜或铝)薄膜。在接触摩擦起电过程中，液态电极容易出现液体泄露，而金属薄膜电极的柔性比较差。本发明以柔性导电布为电极，提高了S-TENG的柔性，使其可以应用到更多的场景；所用的液体硅胶为工业硅胶，成本低，易于大规模生产，制备得到的S-TENG的电学输出性能较高，适于广泛推广使用。

本发明制备S-TENG的方法包括：

1)取适量的液体硅胶和固化剂(液体硅胶与固化剂的体积比100:2.5)，所用的硅胶固化剂采用正硅酸丙酯。将两种成分混合，用玻璃棒沿一个方向搅拌均匀；然后注入到亚克力模具的第一阶梯的凹槽中，在室温下等待硅胶完全固化，得到厚度大约为2.5毫米的硅胶层。该硅胶层作为S-TENG的下层硅胶片，主要对电极起到支撑和保护作用，另外还能保证硅胶层有适当的柔性。下层硅胶片合适的厚度范围为0.5-4.5毫米。

2)取适当长度和宽度的柔性导电布，导电布厚度大约为0.1毫米，裁成所需形状，然后平铺到第一层硅胶片上。导电布留出一条细小的长方形尾巴伸出硅胶片以外，方便后期连接导线。

3)再取适量的液体硅胶和正硅酸丙酯固化剂(液体硅胶与固化剂的体积比100:2.5)，将两种成分混合，用玻璃棒沿一个方向搅拌均匀；然后注入到亚克力模具的第二阶梯的凹槽中，在室温下等待硅胶完全固化，硅胶层厚度大约为0.5毫米。该硅胶层主要的作用是与其它材料接触后产生摩擦起电电荷。该硅胶层合适的厚度范围为0.1-1毫米。

4)用锋利的刀片沿着模具的第一阶梯的凹槽内壁划一周，轻轻取出两层硅胶片及夹在两层硅胶片之间的导电布。在导电布的尾巴上连接上导线，制备得到S-TENG，制备得到的S-TENG厚度大约为1-6毫米。

制备的S-TENG的工作原理如图3所示，是基于接触分离的摩擦起电效应和静电感应效应。在初始状态时，当人体皮肤或正电荷摩擦材料和硅胶摩擦层完全接触摩擦后，它们各自的表面将产生等量的、符号相反的电荷。根据摩擦电序列，因为硅胶比皮肤更易带负电荷，因此电子会从皮肤注入到硅胶层。而具有相反极性的两个接触面完全平衡后，会导致外部电路没有电子流动(图3-I)。如图3-II所示，一旦发生硅胶摩擦层和皮肤之间的相对分离，所产生的摩擦电势差将得不到补偿和平衡。表面带负电荷的硅胶摩擦层因此在导电电极中产生正电荷，驱使自由电子从电极流向地面，上述静电感应过程将生成一个输出电流信号。一直增加硅胶摩擦层和人体皮肤之间的分离距离到一定长度，当硅胶摩擦层产生的负电荷完全屏蔽电极感应产生的正电荷时，将不会有输出信号产生(图3-III)。当皮肤往反向运动靠近硅胶摩擦层时，电极上的感应正电荷会减少，电子将从地面流到电极，直到皮肤和硅胶摩擦层完全接触，这导致了输出电流信号的终止(图3-IV)。这就是一个完整的可屏蔽电磁辐射的摩擦纳米发电机摩擦发电的循环周期。

下面以具体实施例进一步说明。

实施例1:

1)取适量的液体硅胶和正硅酸丙酯固化剂(液体硅胶与固化剂的体积比100:2.5)，用玻璃棒沿一个方向搅拌均匀；将液体硅胶注入到亚克力模具的第一阶梯的凹槽(55x115mm)中，在室温下等待硅胶完全固化，得到厚度大约为2.5毫米的硅胶层。

2)取一定长度和宽度的柔性导电布，裁成所需形状(40x100mm)，然后平铺到第一层硅胶片上。导电布要留出一条细小的尾巴露出硅胶片，方便后期连接导线。

3)取适量的液体硅胶和正硅酸丙酯固化剂(液体硅胶与固化剂的体积比100:2.5)，用玻璃棒沿一个方向搅拌均匀；将液体硅胶注入到亚克力模具的第二阶梯的凹槽中，在室温下等待硅胶完全固化，得到厚度大约为0.5毫米的硅胶层。

4)用锋利的刀片沿着模具的第一阶梯的凹槽内壁划一周，轻轻取出硅胶片。在导电布的尾巴上连接上导线，制备得到S-TENG。制备的样品标记为1#，如图4。

实施例2:

1)取适量的液体硅胶和正硅酸丙酯固化剂(液体硅胶与固化剂的体积比100:2.5)，用玻璃棒沿一个方向搅拌均匀；将液体硅胶注入到亚克力模具的第一阶梯的凹槽(55x90mm)中，在室温下等待硅胶完全固化，得到厚度大约为2.5毫米的硅胶层。

2)取一定长度和宽度的柔性导电布，裁成所需形状(40x75mm)，然后平铺到第一层硅胶片上。导电布要留出一条细小的尾巴露出硅胶片，方便后期连接导线。

4)用锋利的刀片沿着模具的第一阶梯的凹槽内壁划一周，轻轻取出硅胶片。在导电布的尾巴上连接上导线，制备得到S-TENG。制备的样品标记为2#，如图4。

实施例3:

1)取适量的液体硅胶和正硅酸丙酯固化剂(液体硅胶与固化剂的体积比100:2.5)，用玻璃棒沿一个方向搅拌均匀；将液体硅胶注入到亚克力模具的第一阶梯的凹槽(55x65mm)中，在室温下等待硅胶完全固化，得到厚度大约为2.5毫米的硅胶层。

2)取一定长度和宽度的柔性导电布，裁成所需形状(40x50mm)，然后平铺到第一层硅胶片上。导电布要留出一条细小的尾巴露出硅胶片，方便后期连接导线。

4)用锋利的刀片沿着模具的第一阶梯的凹槽内壁划一周，轻轻取出硅胶片。在导电布的尾巴上连接上导线，制备得到S-TENG。制备的样品标记为3#，如图4。

实施例4:

1)取适量的液体硅胶和正硅酸丙酯固化剂(液体硅胶与固化剂的体积比100:2.5)，用玻璃棒沿一个方向搅拌均匀；将液体硅胶注入到亚克力模具的第一阶梯的凹槽(55x40mm)中，在室温下等待硅胶完全固化，得到厚度大约为2.5毫米的硅胶层。

2)取一定长度和宽度的柔性导电布，裁成所需形状(40x30mm)，然后平铺到第一层硅胶片上。导电布要留出一条细小的尾巴露出硅胶片，方便后期连接导线。

4)用锋利的刀片沿着模具的第一阶梯的凹槽内壁划一周，轻轻取出硅胶片。在导电布的尾巴上连接上导线，制备得到S-TENG。制备的样品标记为4#，如图4。

实施例5:

1)取适量的液体硅胶和正硅酸丙酯固化剂(液体硅胶与固化剂的体积比100:2.5)，用玻璃棒沿一个方向搅拌均匀；将液体硅胶注入到亚克力模具的第一阶梯的凹槽(55x15mm)中，在室温下等待硅胶完全固化，得到厚度大约为2.5毫米的硅胶层。

2)取一定长度和宽度的柔性导电布，裁成所需形状(40x10mm)，然后平铺到第一层硅胶片上。导电布要留出一条细小的尾巴露出硅胶片，方便后期连接导线。

4)用锋利的刀片沿着模具的第一阶梯的凹槽内壁划一周，轻轻取出硅胶片。在导电布的尾巴上连接上导线，制备得到S-TENG。制备的样品标记为5#，如图4。

制备的S-TENG的性能测试结果显示在图5，其中，图5(a)是1#样品在不同接触频率下的输出开路电压，图5(b)是1#样品在不同接触频率下的短路电流密度，图5(c)是1#样品在不同接触频率下的表面电荷密度，图5(d)是不同负载电阻下的输出功率。以脱脂牛皮为正电荷摩擦材料，在不同的接触频率下，5个实施例制备的S-TENG，1^#S-TENG显示出了较高的电学输出性能，其开路电压约为520V，电流密度随着频率的增加逐渐增加，最大约为0.9mA/m²，表面电荷密度约为45μC/m²。接上不同阻值的电阻作为负载后，随着接触频率的增加，1^#S-TENG的最大输出功率密度逐渐增大，最大输出功率密度约为220mW/m²。

制备的S-TENG的应用实例显示在图6和图7。图6为1#S-TENG的性能表征。其中，图6(a)表示1#S-TENG工作10小时后性能保持稳定；图6(b)是1#S-TENG交流变直流的整流电路示意图；图6(c)是1#S-TENG整流后点亮240颗LED；图6(d)是1#S-TENG不同接触频率下为3.3μF电容充电曲线；图6(e)是1#S-TENG在3Hz接触摩擦频率下为不同电容值的电容充电曲线；图6(f)是10μF电容连续点亮2颗LED的充放电曲线和照片；图6(g)是10μF电容驱动电子表的充放电曲线和照片；图6(h)是33μF电容驱动计算器的充放电曲线；图6(i)是33μF电容驱动计算器的照片。

图7为样品能用于收集人体运动能量的实例。其中，图7(a)为4#S-TENG收集手腕运动的能量，输出电压约为75V。图7(b)为1#S-TENG收集拍手的能量，输出电压约为532V。图7(c)为1#S-TENG收集走路的能量，输出电压约为514V，收集能量转换的电能能点亮150颗LED。图7(d,e)为1#S-TENG收集羊毛大衣袖口拍打的能量并点亮90颗LED。图7(f,g)为1#S-TENG收集聚酰胺毛衣袖口拍打能量并点亮90颗LED，图7(h,i)为1#S-TENG收集袖口摆动能量并点亮30颗LED。

本发明制备了一种三明治结构的硅胶片/导电布/硅胶片复合结构的S-TENG，制备的S-TENG样品以与人体皮肤类似的粗糙牛皮作为正电荷摩擦层，增加了摩擦接触面积，样品显示出良好的摩擦起电性能和稳定性。本发明制备得到的S-TENG能有效的收集人体运动的能量，在便携式电子产品供电和自驱动传感等领域具有潜在的应用价值。

以上所述仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，本发明还可以根据以上结构和功能具有其它形式的实施例，不再一一列举。因此，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种柔性单电极摩擦纳米发电机，其特征在于包括三层结构，上层为较薄的硅胶片，用于作为摩擦层，下层为较厚的硅胶片，用于作为支撑层，摩擦层和支撑层之间是柔性导电布。

2.如权利要求1所述的柔性单电极摩擦纳米发电机，其特征在于上层硅胶片的厚度为0.1-1毫米，下层硅胶片的厚度为0.5-4.5毫米。

3.如权利要求1或2所述的柔性单电极摩擦纳米发电机，其特征在于上层硅胶片的厚度为0.5毫米，下层硅胶片的厚度为2.5毫米。

4.如权利要求1所述的柔性单电极摩擦纳米发电机，其特征在于按照以下方法制备：

5.如权利要求4所述的柔性单电极摩擦纳米发电机，其特征在于步骤1)和步骤3)中液体硅胶和固化剂的体积比为100:2.5。

6.如权利要求4所述的柔性单电极摩擦纳米发电机，其特征在于步骤1)和步骤3)中所述的固化剂为正硅酸丙酯。

7.如权利要求4所述的柔性单电极摩擦纳米发电机，其特征在于所用的模具为亚克力模具。

8.如权利要求4所述的柔性单电极摩擦纳米发电机，其特征在于第一阶梯凹槽的厚度大于第二阶梯凹槽的厚度。

9.如权利要求8所述的柔性单电极摩擦纳米发电机，其特征在于第一阶梯凹槽的厚度为0.5-4.5毫米，第二阶梯凹槽的厚度为0.1-1毫米。

10.如权利要求1所述的柔性单电极摩擦纳米发电机，其特征在于能收集人体低频机械能并转换为电能，点亮240颗LED灯珠；或者用作传感器，监测人体的运动信号。