CN115411967A - 一种基于静电感应的液体直流发电器件及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于静电感应的液体直流发电器件及其使用方法，属于纳米能源技术领域。其中基于静电感应的液体直流发电器件包括静电层薄膜、上电极、下电极、背电极层和衬底层，衬底层、背电极层和静电层薄膜自下而上依次设置，上电极贴合在静电层薄膜上表面，静电层薄膜上与上电极间隔特定距离处开设有下电极，下电极与背电极层电气连通。使用时，将上述基于静电层薄膜的液体直流发电器件倾斜放置，使上电极高于下电极，上电极和背电极层分别构成基于静电层薄膜的液体直流发电器件的正负电极。本发明实现了水滴/水流能量收集并输出直流电，具有良好的应用范围和应用前景，适合推广使用。

Description

一种基于静电感应的液体直流发电器件及其使用方法

技术领域

本发明属于新能源技术领域，特别涉及一种基于静电感应的液体直流发电器件及其使用方法。

背景技术

在自然中，水的运动在地球上无处不在。水能作为一种清洁能源是未来能量可持续发展的方向之一。除了传统的大型水力发电机外，固/液界面纳米发电机以高效率，小巧，可集成度高引起了人们极大的关注。目前，固/液界面纳米发电机普遍使用高分子材料，表面电荷密度低且不稳定。再加上大多数的固/液界面纳米发电机只能收集液滴的动能，其输出一般为交流脉冲，这导致了很多不便，极大地限制了固/液界面纳米发电机的发展。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的是提出一种基于静电感应的液体直流发电器件及其使用方法。本发明利用固/液界面效应和静电感应效应，不仅可以从液滴中，还可以从水流中获取电能。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种基于静电感应的液体直流发电器件，其特征在于，包括静电层薄膜、上电极、背电极层和衬底层，所述衬底层、背电极层和静电层薄膜自下而上依次设置，所述上电极贴合在所述静电层薄膜上表面，所述静电层薄膜上与所述上电极间隔特定距离处开设有下电极，所述下电极贯穿所述静电层薄膜使所述背电极层被暴露出，或者所述下电极通过沉积或印刷形成在所述静电层薄膜上。

可选地，静电层薄膜的材料可以是高分子材料，包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，以及以上述材料为高分子基体的复合材料。

可选地，所述的静电层薄膜的材料也可是具有铁电特性的单晶薄膜或者多晶薄膜或者陶瓷薄膜，包括锆钛酸铅(PZT)薄膜、钛酸锶(STO)薄膜、钛酸钡(BTO)薄膜、铁酸铋(BFO)等。

可选地，所述以高分子材料为材料的静电层薄膜(1)在器件使用前通过电荷注入的方法使其上表面存在正或负的电荷。

可选地，所述以铁电薄膜为材料的静电层薄膜在器件使用前经过极化处理使其上下表面分别存在等量且极性相反的固定电荷。

可选地，所述以铁电薄膜为材料的静电层薄膜的表面采用高分子疏水剂在密闭的环境内通过热蒸发的方式实现疏水处理。高分子疏水剂包括但不限于1H,1H,2H,2H-全氟癸基三氯硅烷、十八烷基三氯硅烷、聚二甲基硅氧烷和聚四氟乙烯。

可选地，所述的静电层薄膜的厚度在1nm-1cm的范围内。

可选地，所述上电极呈条状，宽度小于10mm，且厚度小于1mm。

可选地，所述上电极和背电极层的材料为导电材料，包括但不限于铝、铜、铁、金、铂、ITO和FTO。

可选地，所述所述下电极的宽度小于10cm，所述下电极通过在静电层薄膜上进行刻蚀工艺制成。

可选地，所述下电极可以在静电层薄膜的上表面通过沉积、印刷等方法工艺制成，厚度小于1cm。若使用沉积或者印刷等非刻蚀工艺制备所述下电极，则所述下电极的材料为导电材料，包括但不限于铝、铜、铁、金、铂、镍、碳、ITO和FTO。

可选地，所述衬底层采用绝缘材料，包括但不限于硅、碳化硅、二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯。

可选地，所述液体指纯水或者以水为溶剂的电解质溶液。

本发明第二方面还提供一种基于静电感应的液体直流发电器件的使用方法，包括以下步骤：

使用时，将上述基于静电感应的液体直流发电器件倾斜放置，使上电极高于下电极，上电极和背电极层分别构成基于静电感应的液体直流发电器件的正负电极；

当收集液体液滴的动能时，液体以液滴的状态从高处滴落在上述基于静电感应的液体直流发电器件上且高于或者等于上电极的位置，液体液滴向下滑动并先后接触上电极和下电极，此时上述的基于静电感应的液体直流发电器件在每个液滴滴落周期输出一个直流的脉冲电信号；

当收集液体水流的动能时，液体以水流的状态从高处落在上述基于静电感应的液体直流发电器件上且高于或者等于上电极的位置，液体水流向下流动并先后从上电极和下电极流过，此时上述的基于静电感应的液体直流发电器件输出一个稳定的直流电信号。

所述的一种基于静电感应的液体直流发电器件的工作原理叙述如下：

对于液滴的情况，当液滴与器件接触的时候，由于器件上表面的固定电荷的作用，液滴中的阴阳离子在静电场的作用下分离，并分布于固/液界面和液滴的上表面。例如当器件上表面的电荷为负时，液滴中的阳离子将聚集于固/液界面，而阴离子将聚集于液滴的上表面；当液滴与上电极接触的时候，上电极从液滴的上表面收集负电荷，而液滴中的正电荷随着水流的向下流动。当液滴接触下电极时，液滴中的正电荷被背电极层中的电子中和。

对于水流的情况，器件从水流中获取电能的原理相当于从液滴获取电能的原理在时域上的延伸。当水流持续不断从器件上表面流下，并依次流经上电极和下电极时，由于器件上表面的固定电荷的作用，水流中的阴阳离子在静电场的作用下分离，并分布于固/液界面和液滴的上表面。例如当器件上表面的电荷为负时，液体中的阳离子将聚集于固/液界面，而阴离子将聚集于水流的上表面。此时，上电极从水流中持续收集负电荷，导致流过上电极的水流中含有多余的正电荷。这些正电荷随着水流的流动流向下电极，并与背电极层中的电子中和。

可选地，所述液体指纯水或者以水为溶剂的电解质溶液。

与现有技术相比，本液体直流发电器件具有以下优点：具有结构相对简单，可以输出直流电能，输出电流大的特点。通过利用静电层材料的固定表面电荷和巧妙的器件结构，实现了水滴/水流能量收集，并输出直流电，在水能收集，雨水能量收集，离子浓度检测等方面具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例中基于静电感应的液体直流发电器件俯视视角的结构示意图；

图2为本发明实施例1中基于静电感应的液体直流发电器件侧视视角的结构示意图；

图3为本发明实施例2中基于静电感应的液体直流发电器件侧视视角的结构示意图；

图4是实施例1中使用锆钛酸铅(PZT)薄膜的液体直流发电器件收集NaCl溶液液滴的电流输出图；

图5是实施例1中使用锆钛酸铅(PZT)薄膜的液体直流发电器件收集NaCl溶液液滴的电压输出图；

图6是实施例1中使用锆钛酸铅(PZT)薄膜的液体直流发电器件收集NaCl溶液水流的电流输出图；

图7是实施例1中使用锆钛酸铅(PZT)薄膜的液体直流发电器件收集NaCl溶液水流的电压输出图；

图8是实施例2中使用聚四氟乙烯(PTFE)薄膜的液体直流发电器件收集NaCl溶液液滴的电流输出图；

图9是实施例2中使用聚四氟乙烯(PTFE)薄膜的液体直流发电器件收集NaCl溶液液滴的电压输出图；

图10是实施例2中使用聚四氟乙烯(PTFE)薄膜的液体直流发电器件收集NaCl溶液水流的电流输出图；

图11是实施例2中使用聚四氟乙烯(PTFE)薄膜的液体直流发电器件收集NaCl溶液水流的电压输出图；

图中：1、静电层薄膜；2、上电极；3、下电极；4、背电极层；5、衬底层。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1：

器件结构示意图如图1和图2所示。

具体的，本实施例中的静电层薄膜1选用铁电薄膜——锆钛酸铅(PZT)多晶薄膜，厚度为1μm，长度为35mm，宽度为15mm。采用物理气相沉积的方法制备而成。在使用前，对该锆钛酸铅(PZT)多晶薄膜进行了极化处理和疏水处理：通过极化处理使锆钛酸铅(PZT)多晶薄膜的上下表面分别存在等量的极性相反的固定电荷；再利用1H,1H,2H,2H-全氟癸基三氯硅烷在密闭的环境内通过热蒸发的方式，在50℃条件下处理其上表面15min，实现疏水处理。

需要说明的是，在本发明的使用铁电薄膜为静电层薄膜的其他实施例中，静电层薄膜1还可以采用钛酸锶(STO)、钛酸钡(BTO)薄膜和铁酸铋(BFO)薄膜等，且可以自由选择单晶薄膜、多晶薄膜或者陶瓷薄膜，并不做限定。

本事实例中，上电极2为铝电极，厚度为200μm，宽度为1mm，长度为15mm，采用磁控溅射的方法制备而成。背电极层4的材料为铂电极，厚度为150nm。

需要说明的是，在本发明的可选实施例中，上电极2和背电极层4的材料还可以从铝、铜、铁、金、铂、镍、碳、ITO和FTO等导电材料中自由选择，不做限定。

在静电层薄膜1上采用感应离子刻蚀形成的下电极3的宽度为1mm，长度为10mm，深度为1μm。

下面采用0.1M/L的NaCl溶液分别以液体和水流两种方式检测上述基于静电感应的液体直流发电器件的发电性能：

当上述基于静电感应的液体直流发电器件从液滴中收集电能时，液滴从高处滴落在器件上且高于或者等于上电极2的位置。液滴在器件上向下滑动并先后接触上电极2和下电极3。此时这种液体直流发电器件的典型电流输出和电压输出分别如图4和图5所示。

当上述基于静电感应的液体直流发电器件从水流中收集电能时。水流从高处落在器件上高于或者等于上电极2的位置。水流在器件上向下流动并先后从上电极2和下电极3流过。此时这种液体直流发电器件的典型电流输出和电压输出分别如图6和图7所示。

实施例2：

器件结构示意图如图1和图3所示。

具体的，本实施例中的静电层薄膜1选用高分子材料——聚四氟乙烯(PTFE)薄膜，厚度为200μm，长度为35mm，宽度为15mm。在使用前，对PTFE薄膜进行了电荷注入处理：使用电子枪持续轰击PTFE薄膜表面，使其上表面带负电。

需要说明的是，在本发明的使用高分子材料为静电层薄膜的其他实施例中，静电层薄膜1还可以采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等高分子材料，不做限定。

本事实例中，上电极2和下电极3为铝电极，厚度为200μm，宽度为1mm，长度为15mm，均采用磁控溅射的方法在静电层薄膜1上表面制备而成。背电极层4的材料为铝电极，厚度为200μm。

需要说明的是，在本发明的可选实施例中，上电极2、下电极3和背电极层4的材料还可以从铝、铜、铁、金、铂、镍、碳、ITO和FTO等导电材料中自由选择，不做限定。

下电极3通过外部线路与背电极层4电气连通。

下面采用0.1M/L的NaCl溶液分别以液体和水流两种方式检测上述基于静电感应的液体直流发电器件的发电性能：

当上述基于静电感应的液体直流发电器件从液滴中收集电能时，液滴从高处滴落在器件上且高于或者等于上电极2的位置。液滴在器件上向下滑动并先后接触上电极2和下电极3。此时这种液体直流发电器件的典型电流输出和电压输出分别如图8和图9所示。

当上述基于静电感应的液体直流发电器件从水流中收集电能时。水流从高处落在器件上高于或者等于上电极2的位置。水流在器件上向下流动并先后从上电极2和下电极3流过。此时这种液体直流发电器件的典型电流输出和电压输出分别如图10和图11所示。

由此可见，本发明的基于静电感应的液体直流发电器件不仅可以从液滴中，还可以从水流中获取电能，实现了水滴/水流能量收集，并输出直流电，结构简单、使用方便、适用性广且适用性强。本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (17)

1.一种基于静电感应的液体直流发电器件，其特征在于，包括静电层薄膜(1)、上电极(2)、下电极(3)、背电极层(4)和衬底层(5)，所述衬底层(5)、背电极层(4)和静电层薄膜(1)自下而上依次设置，所述上电极(2)贴合在所述静电层薄膜(1)的上表面，所述下电极(3)设置在所述静电层薄膜(1)上表面或者贯穿所述静电层薄膜(1)，所述上电极(1)和下电极(3)间隔设置，所述下电极(3)与背电极层(4)电气连通。

2.根据权利要求1所述的一种基于静电感应的液体直流发电器件，其特征在于，所述的静电层薄膜(1)的材料为高分子材料或者以高分子材料作为高分子基体的复合材料，所述高分子材料包括但不限于聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯。

3.根据权利要求2所述的一种基于静电感应的液体直流发电器件，其特征在于，当所述的静电层薄膜(1)采用高分子材料或复合材料时，在使用前通过电荷注入的方法使其上表面存在正或负的电荷。

4.根据权利要求1所述的一种基于静电感应的液体直流发电器件，其特征在于，所述的静电层薄膜(1)的材料为具有铁电特性的单晶薄膜、多晶薄膜或者陶瓷薄膜，包括但不限于锆钛酸铅薄膜、钛酸锶薄膜、钛酸钡薄膜、铁酸铋。

5.根据权利要求4所述的一种基于静电感应的液体直流发电器件，其特征在于，当所述的静电层薄膜(1)采用铁电薄膜为材料时，在使用前经过极化处理使其上下表面分别存在等量且极性相反的固定电荷。

6.根据权利要求4所述的一种基于静电感应的液体直流发电器件，其特征在于，当所述的静电层薄膜(1)采用铁电薄膜为材料时，对其表面采用高分子疏水剂进行表面疏水处理。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种基于静电感应的液体直流发电器件，其特征在于，所述的静电层薄膜(1)的厚度在1nm-1cm的范围内。

8.根据权利要求1-6任意一项所述的一种基于静电感应的液体直流发电器件，其特征在于，所述上电极(2)呈条状，宽度小于10mm，且厚度小于1mm。

9.根据权利要求1-6任意一项所述的一种基于静电感应的液体直流发电器件，其特征在于，所述上电极(2)和背电极层(4)的材料为导电材料，包括但不限于铝、铜、铁、金、铂、镍、碳、ITO和FTO。

10.根据权利要求1-6任意一项所述的一种基于静电感应的液体直流发电器件，其特征在于，所述下电极(3)通过在静电层薄膜(1)上刻蚀制成；或者所述下电极(3)通过在静电层薄膜(1)上采用非刻蚀工艺制成，所述非刻蚀工艺包括但不限于沉积、印刷。

11.根据权利要求10所述的一种基于静电感应的液体直流发电器件，其特征在于，所述下电极(3)通过在所述静电层薄膜(1)刻蚀出沟槽并使所述背电极层(4)的一部分暴露，使被刻蚀出的沟槽所暴露出的部分背电极层(4)构成下电极(3)。

12.根据权利要求10所述的一种基于静电感应的液体直流发电器件，其特征在于，所述下电极(3)通过在所述静电层薄膜(1)上表面进行沉积或者印刷制成，所述下电极(3)厚度小于1cm。

13.根据权利要求12所述的一种基于静电感应的液体直流发电器件，其特征在于，所述下电极(3)的材料为导电材料，包括但不限于铝、铜、铁、金、铂、镍、碳、ITO和FTO。

14.根据权利要求10所述的一种基于静电感应的液体直流发电器件，其特征在于，所述下电极(3)的宽度小于10cm。

15.根据权利要求1-6任意一项所述的一种基于静电感应的液体直流发电器件，其特征在于，所述衬底层(5)采用绝缘材料，包括但不限于硅、碳化硅、二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯。

16.一种基于静电感应的液体直流发电器件的使用方法，包括以下步骤：

使用时，将如权利要求1-15任意一项所述的基于静电感应的液体直流发电器件倾斜放置，使上电极(2)高于下电极(3)，上电极(2)和背电极层(4)分别构成正负电极；

当收集液体液滴的动能时，液体以液滴的状态从高处滴落在上述基于静电感应的液体直流发电器件上且高于或者等于上电极(2)的位置，液体液滴向下滑动并先后接触上电极(2)和下电极(3)，此时上述的基于静电感应的液体直流发电器件在每个液滴滴落周期输出一个直流的脉冲电信号；

当收集液体水流的动能时，液体以水流的状态从高处落在上述基于铁电薄膜的液体直流发电器件上且高于或者等于上电极(2)的位置，液体水流向下流动并先后流经上电极(2)和下电极(3)，此时上述的基于静电感应的液体直流发电器件输出一个稳定的直流电信号。

17.根据权利要求16所述的一种基于静电感应的液体直流发电器件的使用方法，其特征在于，所述液体指纯水或者以水为溶剂的电解质溶液。

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