CN115514251A - 一种独立式液-固摩擦纳米发电机制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液体‑固体界面的独立式摩擦纳米发电机(LS‑TENG)，用于在低频晃动条件下收集机械能，并转化成电能。该LS‑TENG由氟化乙烯丙烯(FEP)薄膜和液体(优选去离子水)作为摩擦材料，以铜箔作为电极，制作成矩形容器形状的LS‑TENG，在外部机械驱动下，结合外接设计电路，可实现机械能转化为电能并驱动外部电路。本发明制作工艺简单，材料成本低，输出性能好，为在真实环境中收集低频机械能量和应用提供了一种潜在的实用途径。

Description

一种独立式液-固摩擦纳米发电机制备方法和应用

技术领域

本发明属于能源领域，涉及一种独立式液体-固体界面摩擦纳米发电机的制备并应用于收集低频机械能转化为电能的技术领域。

背景技术

地球表面70％被水覆盖，作为一种可再生的清洁能源，水在我们的生活中也有多种表现形式，如降水、河流、波浪和潮汐。大型水电站目前使用大型电磁感应发电机将水能转换为电能，但这种水电只能在高频下进行。事实上，大量低频水流，如河流、雨滴等，尚未得到大规模利用。摩擦纳米发电机(TENG)，它可以有效地收集机械能并将其转换为电能。与传统的电磁感应不同，TENG是通过摩擦效应利用位移电流作为驱动力，有效地将机械能转换为电能或信号的装置。TENG作为一种新型的能量收集技术，因其重量轻、成本低、结构简单、摩擦材料选择多样等独特优势而备受关注。

液体-固体摩擦纳米发电机(LS-TENG)就是通过液体和固体摩擦电材料之间的接触带电效应来有效地收集机械能，并通过简便的方式转化为电能，例如潮汐能、水滴能。与固体-固体接触不同，由于液-固摩擦电材料中含有液体材料，其流动性导致其接触面积增加，使界面效应更加明显，因此LS-TENG具有耐磨性、机械耐久性和稳定性等优点。然而，许多单电极的LS-TENG通常只适用于连续下落的液滴，因此其使用范围受限、输出性能也欠佳。

发明内容

本发明的目的在于设计一种结构简单、使用广泛、具有较高输出性能的LS-TENG。本发明技术可收集生活中的低频机械能，并转化为电能，结合电路设计实现多种功能的应用。本发明LS-TENG为在真实环境中收集低频机械能量提供了一种潜在的实用途径。

本发明所要解决的技术问题，通过以下技术方案予以实现：

一种独立式液-固摩擦纳米发电机的特点在于，以氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)薄膜和液体作为摩擦材料，通过矩形容器内液体的周期性振荡与固态摩擦层摩擦并产生电荷转移，经由电极通过导线引出到外部电路，组成独立式电极液-固摩擦纳米发电机。

优选地，具有较强吸电子能力和较好疏水性的氟化乙烯丙烯(FEP)薄膜和液体作为摩擦材料。

优选地，所述氟化乙烯丙烯(FEP)薄膜的厚度为20～30微米。

优选地，所述矩形容器选择亚克力、玻璃、聚丙烯等不导电材料，容器长宽高为5×3×3厘米。

优选地，所述去离子水量为器件容积的1/6～5/6。

优选地，所述导电电极为铜箔。

优选地，所述的一种独立式液-固摩擦纳米发电机的制备方法及应用，包括以下步骤：

(1)在矩形容器内部的左右两侧贴上两个独立对称的铜箔作为电极，再将FEP薄膜，贴在矩形容器的左右两侧及底部，用硅胶密封边缘，并从电极上引出导线，用于连接外部负载。

(2)将制作完的LS-TENG安装在线性马达上，线性马达用来模拟低频晃动的机械能。

(3)在引出的导线上分别连接6514静电计的正负极，用来测试其输出的开路电压、短路电流和转移电荷。

(4)步骤(2)中的器件在线性马达上不停的运行，比较其起始及经过约3000次循环后的输出开路电压和短路电流，验证其稳定性。

本发明所涉及的制备方法具有以下几个显著的特点：

(1)原料常见易获得，成本低，节约环保；

(2)设计的器件结构简单，制备方法简单；

(3)具有较高的稳定性和可靠性，经过3000多次循环后，电学性能依然稳定；

(4)具有较为广泛的应用，输出的电能可以给电容器充电，也可以直接输出交流电或经整流后输出直流电驱动外部电路。

附图说明

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1为实施例1的LS-TENG结构示意图。

图2为实施例1的LS-TENG的实物图。

图3为实施例1的LS-TENG在不同单元数下的输出性能，开路电压(a)、短路电流(b)和转移电荷(c)。

图4为实施例1的LS-TENG在经过约3000次循环的电性能，开路电压(a)和短路电流(b)。

图5为实施例3的LS-TENG的应用。LS-TENG在将电容器充电为电源后，可以驱动电子表(a)和相应的电路原理图(b)；LS-TENG作为电源，整流后点亮LED(c)和相应的电路原理图(d)；LS-TENG用作照明LED(e)的交流电源以及相应的电路原理图(f)。

具体实施方式：

为了使本发明更加清楚,下面结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。

实施例1：

一种独立式液-固摩擦纳米发电机制备方法具体步骤如下：

(1)将提前准备好的长宽高为5×3×3厘米的亚克力矩形容器擦拭干净，在左右两侧及底面贴上聚酰亚胺双面胶带，粘贴平整；

(2)在步骤(1)中贴上胶带的亚克力板的左右侧面贴上导电铜箔，并在铜箔的背面分别引出两根导线，用于连接外部负载；

(3)将裁剪好的一整块FEP薄膜粘贴在铜箔和底部的聚酰亚胺双面胶上，粘贴平整无气泡，并在边缘用透明的硅胶进行密封防止进水，等硅胶完全固化后即LS-TENG器件制备完毕。

图1是一种独立式液-固摩擦纳米发电机的结构图，包括摩擦层、电极层以及支撑结构，其中摩擦层采用FEP薄膜和去离子水，电极层采用导电铜箔胶带，支撑结构是5×3×3厘米的矩形亚克力容器。其实物图如图2所示。

将上述制备完成的LS-TENG器件加入1/2容积的去离子水，并安装在线性马达上，线性马达的晃动距离为10cm，晃动频率为2Hz，用来模拟低频晃动的机械能。在此条件下，用6514静电计连接其两端的导线端，测试其开路电压、短路电流和转移电荷。测试结果显示单个单元的LS-TENG的开路电压(V_oc)为37V，短路电流(I_sc)为0.45μA，转移电荷(Q_tr)为14.2nC，同时还利用多个单元(n＝1、2、3、4、6)并联，结果显示当增加到六个单元数时，开路电压可达到120V，短路电流为3.9μA，转移电荷为133nC，如图3所示。

将上述制备完成的两个LS-TENG器件同时在线性马达上不停的运行，测试其并联后输出的开路电压和短路电流，约经过3000次循环的开路电压和短路电流如图4所示，几乎没有明显变化，表明了其具有可靠的稳定性。

实施例2

本实例使用的LS-TENG器件制备过程与实例1相同。

将该制备完成的LS-TENG器件中分别加入1/6、1/3、1/2、2/3和5/6矩形容积的去离子水，并安装在线性马达上，线性马达的晃动距离为10cm，晃动频率为2Hz，用来模拟低频晃动的机械能。在此条件下，用6514静电计连接其两端的导线，测试其开路电压。结果显示不同容积对应的开路电压分别为：13.4V、21V、37V、14.4V和7.2V。表明加入1/2矩形容积的去离子水时具有最好的输出性能。

实施例3

用本发明的独立式液-固摩擦纳米发电机具体包括以下应用：

(1)电容充放电，其电路图如图5(b)所示，LS-TENG在低频往复晃动条件下可作为电源输出交流电，经全波整流后给2.2μF电容器充电一分钟，当闭合开关时可以驱动一个简易的电子表(如图5(a))；

(2)LS-TENG作为电源经全波整流后直接输出直流电可以轻松点亮多个LED，如图5(c)和相应的电路图(d)；

(3)可以作为交流电直接输出，用于驱动转换信号灯如图5(e)、(f)所示，当电流顺时针流过时，LED-1被点亮，LED-2断路，当电流逆时针流过时，LED-2被点亮，LED-1断路，这样LED-1和LED-2实现了交替点亮，实现了由外部机械晃动所带动的LS-TENG的晃动方向与该侧LED的同步闪烁，来回晃动频率也与交替闪烁频率相同，从而可以通过直接观察LED的闪烁状态来跟踪外部机械的运动状态。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种独立式液-固摩擦纳米发电机(LS-TENG)，其特征在于：以氟化乙烯丙烯(FEP)薄膜和液体作为摩擦材料，矩形容器作为支撑材料，导电铜箔作为电极，并引出导线，用于连接外部负载，组成电极为独立式的液-固摩擦纳米发电机。

2.根据权利要求1所述的独立式液体-固体界面的摩擦纳米发电机，其特征在于所述材料氟化乙烯丙烯(FEP)薄膜的厚度为20～30微米。

3.根据权利要求1所述的独立式液体-固体界面的摩擦纳米发电机，其特征在于所述液体可以是去离子水(DI)、蒸馏水、自来水等，其体积为矩形容器的1/6～5/6。

4.根据权利要求1所述的独立式液体-固体界面的摩擦纳米发电机，其特征在于所述矩形容器材质可以是亚克力(有机玻璃)、玻璃、聚丙烯等非导电材料。

5.一种独立式液体-固体界面的摩擦纳米发电机(LS-TENG)的应用方法，以LS-TENG器件作为电源，其特征在于：

(1)直接输出交流电，可驱动转换信号灯等；

(2)经全波整流后直接输出直流电，可为电容器充电并驱动电子表等。

Images