CN113644841A - 一种基于纸张的摩擦纳米发电机的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种基于纸张的摩擦纳米发电机的制备方法及其应用，属于纳米能源技术领域，用于能量收集和风力监测。本发明使用具有韧性的导电材料将相同尺寸纸粘贴在两面，作为正极摩擦材料；使用导电材料将相同尺寸柔性薄膜粘贴在两面，作为负极摩擦材料；正极和负极摩擦材料，通过折叠的方式，构成折叠结构的具有双螺旋多层结构的纸基摩擦纳米发电机。可以通过双螺旋的结构大大增加了接触面积，折叠的方法容易操作，简便且低成本的工艺非常适用于未来的大规模生产。所制备的发电机应用前景广泛，而且特殊的双螺旋结构可用于可穿戴电子设备用于收集机械能转化为电能，还可以用于模拟小花小草，作为风力发电。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米能源，具体涉及一种基于纸张的折纸摩擦电纳米发电机用于能量收集和风力监测。
背景技术
再过去几十年里，传统能源的短缺以及新型能源快速发展，为了代替传统能源设备，研究人员设计了多种能量转换装置，如超级电容器、锂电池太阳能电池、电磁发电机、纳米发电机等。与其他能源装置(水力发电，风力发电，潮汐发电)相比，摩擦纳米发电机(TENG)可以收集各种随机的，不规则的、低强度，低频率产生的能量。TENG还具有成本低、结构多样、输出稳定、能量转换效率高、形状适应能力强等优点。理论上来说，两种电荷亲和力不同的材料都可以用来制作TENG。使得在摩擦电系列中具有高性能的相对两端的材料范围广泛。大部分不可降解的聚合物材料用来制作摩擦层材料，如聚四氟乙烯，聚二甲基硅氧烷，聚酰亚胺等。为了减少聚合物对环境的污染，一些环境友好的材料被应用在TENG，例如生物薄膜类，纤维素类。
纤维素是公认的环保、丰富的材料。纸是由多层纤维素纤维之间通过氢键连接而成的网状结构，纸本身除了传统用途(存储和传递信息)之外，纸张越来越多的应用到绿色柔性电子器件领域。纸张不仅环保且可回收，而且薄，柔韧，轻巧，无处不在，具有生物相容性和可生物降解性。相比于均匀有序的纳米材料，纸有较好的柔韧性和耐磨性。纸张中的各种微/纳米纤维相互重叠，形成一种无序的网状结构。在电子产品一般是利用纸张作为柔性基板，用于印刷电极。王等人研究证明了纸张具有失电子能力，可以用于TENG的正极摩擦材料。
我们利用纸张并结合我国传统工艺折纸技术发明了一种基于纸张的折纸摩擦电纳米发电机。并且可以利用其特殊的折纸结构用于能量收集和风力监测。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于纸张折叠的方法制备的折纸摩擦电纳米发电机用于能量收集和风力监测。
为了解决本发明的技术问题，提出的技术方案为：一种基于纸张的摩擦电纳米发电机的制备方法，使用具有韧性的导电材料将相同尺寸纸粘贴在两面，作为正极摩擦材料；使用导电材料将相同尺寸柔性薄膜粘贴在两面，作为负极摩擦材料；正极和负极摩擦材料，通过折叠的方式，构成折叠结构的具有双螺旋多层结构的纸基摩擦纳米发电机。
优选的，使用双面铜箔胶带将相同尺寸纸粘贴在两面，作为正极摩擦材料；将双面铜箔胶带将相同尺寸聚酰亚胺PI粘贴在两面，作为负极摩擦材料；尺寸相同的正极和负极摩擦材料，通过折叠的方式，构成折叠结构的具有双螺旋多层结构的纸基摩擦纳米发电机。
优选的，所述导电材料为铜箔或铝箔，所述柔性薄膜负极材料为聚酰亚胺PI、聚四氟乙烯或PET。
优选的，所述的折叠方法为：将纸和聚酰亚胺带沿着预定的折痕折叠而成；每次将底部纸带横向折叠在顶部聚酰亚胺上，直到折叠成多层折叠条的紧凑折纸结构；使用折纸设计，复杂的3D TENG可以轻松形成自悬浮多层双螺旋结构。
优选的，正极摩擦材料、负极摩擦材料的宽度为0.5～2CM,长度为10～30CM。
为了解决本发明的技术问题，提出的另一技术方案为：根据任一所述的基于纸张的摩擦电纳米发电机的应用，通过将纸基摩擦纳米发电机与商用桥式整流器和电容器连接，驱动电子设备。
为了解决本发明的技术问题，提出的另一技术方案为：根据任一所述的基于纸张的摩擦电纳米发电机的应用，使用纸基摩擦纳米发电机为具有不同电容的电容器充电或使用纸基摩擦纳米发电机为计算器或手表供电。。
为了解决本发明的技术问题，提出的另一技术方案为：根据任一所的基于纸张的摩擦电纳米发电机的应用，使用纸基摩擦纳米发电机作为能量收集和自供电的运动监控。
为了解决本发明的技术问题，提出的另一技术方案为：根据任一所述的基于纸张的摩擦电纳米发电机的应用，使用纸基摩擦纳米发电机收集风能。
本发明的有益效果：
利用常见的印刷纸，并且纸是由纤维素组成，是可降解的，并且使用中国传统的折纸艺术，设计成双螺旋的结构。纸本身是较为粗糙的，表面接触面积较大，这就使得有效增加了表面积，间接增加电性能。之前利用纸制作的摩擦纳米发电机大多为垂直接触模式，只有两个面接触，本发明的的好处是可以通过双螺旋的结构大大增加了接触面积，折叠的方法容易操作，简便且低成本的工艺非常适用于未来的大规模生产。所制备的发电机应用前景广泛，而且特殊的双螺旋结构可用于可穿戴电子设备用于收集机械能转化为电能，还可以用于模拟小花小草，作为风力发电。
附图说明
图1为纸基摩擦纳米发电机的制作的示意图。
图2为纸基摩擦纳米发电机的使用原理的示意图。
图3为纸基摩擦纳米发电机的尺寸和压力对其电性能的影响图。
图4为不同负载电阻对电压和电功率影响。
图5为纸基摩擦纳米发电机作为电源供应灯泡和，手表和计算器的示意图。
图6为纸基摩擦纳米发电机穿戴式能量收集和自供电的运动监控。
图7为对纸基摩擦纳米发电机对不同风速的电压响应。
具体实施方式
实施例1
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
本发明中的试剂均为市购，其中：
PI为聚酰亚胺；
Cu为双面铜箔胶带；
Paper为常用的打印纸。
制备过程如图1所示，具有双螺旋多层结构的纸基摩擦纳米发电机(P-TENG)的3D示意图，该结构可以使用折纸设计轻松构建。使用双面铜箔胶带将不同尺寸纸粘贴在两面，作为正极摩擦材料；将双面铜箔胶带将不同尺寸PI粘贴在两面，作为负极摩擦材料。选择尺寸相同的正极和负极摩擦材料，通过折叠的方式，构成折叠结构的P-TENG。纸作为正极摩擦材料，PI作为负极摩擦材料，铜箔胶带作为电极。PI具有优异的柔韧性，可作为弯曲关节，承受长期的循环折叠、弯曲和展开运动。
本发明的P-TENG的使用原理，如图2所示：
在初始状态，纸和聚酰亚胺接触时，由于它们的电子亲和力不同，在接触界面处会发生接触充电。最后，电荷在两个表面上平衡。纸相比较和聚酰亚胺更容易失去电子带正电。
当纸和聚酰亚胺分离时，由于摩擦起电和静电感应，这两个摩擦层之间就会产生电位差。电子被驱动从底部电极转移到顶部电极以平衡电位差。当两层到达一定距离时，电子停止流动并达到平衡状态。
接下来，纸和聚酰亚胺膜之间相互靠近，导致电子从顶部电极返回底部，从而平衡电场，纸和聚酰亚胺接触时，在接触界面处又会发生接触充电。最后，电荷在两个表面上平衡。从而构成一个运动循环。
对比试验1：不同尺寸(图3)
尺寸从0.5增加到2，电压从20V增加到90V
通过制作四种尺寸长*宽(0.5*0.5，1*1,1，5*1.5，2*2)，电压分别为，20V，40V，60V，90V。随着尺寸增加，电压线性增加。
对比试验2：不同压力。
我们通过制作尺寸为1*1的器件，对设备施加的压力从1N增加到5N，电压从10V增加到40V，随着压力增加，两个摩擦层(纸和聚酰亚胺)接触面积也增加，导致电压增加。
图4不同负载下的电压和电功率。
如图4所示，将我们制作的摩擦纳米发电机遇不同电阻串联，来测试不同负载电阻下的电压，随着负载电阻从1KΩ增加到50MΩ，电压从0增加到40V。TENG的功率密度通过以下公式计算：P＝U2/R，通过不同电阻下测试的电压，利用公式计算可得，最大功率为87μW，足以驱动许多便携式和/或可穿戴电子设备，展示了我们制作的纸基摩擦纳米发电机的广泛应用。
其中U和R是在不同负载电阻下TENG的输出电压和电阻。
如图5所示，外接若干LED灯泡。
将P-TENG用作能量收集器，从各种机械运动中收集能量。如图4a所示，通过简单地收集来自敲击，成功地点亮了外接的30个LED灯泡。
通过将P-TENG与商用桥式整流器和电容器连接，驱动低功率电子设备。
因摩擦纳米发电产生的能量为交流电形式，因此需要通过整流器将交流形式的能量转换为直流电(DC)为小型电子设备供电，电路图如图5b所示。
A、使用TENG为具有不同电容的电容器充电，评估其充电能力。对容量分别为1μF和10μF的商用电容器进行充电。在手轻轻拍的力下，1μF电容器可在50s内充电至3V，如图5c所示。
B、使用P-TENG为计算器手表供电，可使其可以正常工作，如图5d所示。
该结果证明了P-TENG作为将生物机械能转化为电能的装置的有效性如图6所示
P-TENG作为能量收集和自供电的运动监控。由于重量轻、成本低、结构简单和体积小，便于与可穿戴电子设备集成。如图6所示，展示了P-TENG在生物力学能量收集和自供电人体运动监测应用中的应用。发现灵活的P-TENG对机械力的微小变化很敏感。如图6a-d所示显示P-TENG已用于监测肘部弯曲、手臂摆动、手指运动和膝盖弯曲运动。可以看出，当关节以不同角度或不同幅度移动时，设备的响应速度非常快。
如图7所示
在实际应用中，该P-TENG用于模拟小草，以收集风能。在风的作用下，P-TENG摇摆不定导致两个摩擦层相互接触和分离，产生输出电压。如图8所示。在不同风速下，由于P-TENG振动频率不同，P-TENG输出的电压信号也不同。随着风速的增大，输出电压明显增大，从2V增加到15V。说明所制备的P-TENG可以风力发电。
所述导电材料还可以是铝箔，所述带负电的柔性薄膜还可以是聚四氟乙烯(PTFE)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于纸张的摩擦电纳米发电机的制备方法，其特征在于：使用具有韧性的导电材料将相同尺寸纸粘贴在两面，作为正极摩擦材料；使用导电材料将相同尺寸柔性薄膜粘贴在两面，作为负极摩擦材料；正极和负极摩擦材料，通过折叠的方式，构成折叠结构的具有双螺旋多层结构的纸基摩擦纳米发电机。
2.根据权利要求1所述的基于纸张的摩擦电纳米发电机的制备方法，其特征在于：使用双面铜箔胶带将相同尺寸纸粘贴在两面，作为正极摩擦材料；将双面铜箔胶带将相同尺寸聚酰亚胺PI粘贴在两面，作为负极摩擦材料；尺寸相同的正极和负极摩擦材料，通过折叠的方式，构成折叠结构的具有双螺旋多层结构的纸基摩擦纳米发电机。
3.根据权利要求1所述的基于纸张的摩擦电纳米发电机的制备方法，其特征在于：所述导电材料为铜箔或铝箔，所述柔性薄膜负极材料为聚酰亚胺PI、聚四氟乙烯或PET。
4.根据权利要求1所述的基于纸张的摩擦电纳米发电机的制备方法，其特征在于：所述的折叠方法为：将纸和聚酰亚胺带沿着预定的折痕折叠而成；每次将底部纸带横向折叠在顶部聚酰亚胺上，直到折叠成多层折叠条的紧凑折纸结构；使用折纸设计，复杂的3D TENG可以轻松形成自悬浮多层双螺旋结构。
5.根据权利要求1所述的基于纸张的摩擦电纳米发电机的制备方法，其特征在于：正极摩擦材料、负极摩擦材料的宽度为0.5～2CM,长度为10～30CM。
6.根据权利要求1-5任一所述的基于纸张的摩擦电纳米发电机的应用，其特征在于：通过将纸基摩擦纳米发电机与商用桥式整流器和电容器连接，驱动电子设备。
7.根据权利要求1-5任一所述的基于纸张的摩擦电纳米发电机的应用，其特征在于：使用纸基摩擦纳米发电机为具有不同电容的电容器充电或使用纸基摩擦纳米发电机为计算器或手表供电。。
8.根据权利要求1-5任一所述的基于纸张的摩擦电纳米发电机的应用，其特征在于：使用纸基摩擦纳米发电机作为能量收集和自供电的运动监控。
9.根据权利要求1-5任一所述的基于纸张的摩擦电纳米发电机的应用，其特征在于：使用纸基摩擦纳米发电机收集风能。
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