自充电布及采用该自充电布发电的方法与流程

本发明涉及电子领域，具体地，涉及一种自充电布及采用该自充电布发电的方法。

背景技术：

可穿戴设备多功能化是未来电子的发展趋势，具有巨大的市场需求。然而，目前使用的电池电源容量有限、体积大、质量重、且不能变形弯曲，成为可穿戴设备发展的瓶颈。

近来，已经有一些线状柔性锂离子电池和超级电容器的报道。在这些报道中，导电的纤维电极通常使用金属线、纺丝制备的碳纳米管纤维或者石墨烯纤维、碳纤维或者涂敷碳材料的织物纤维。但是上述这些方法不能同时满足纤维电极的以下要求：(1)轻质；(2)低成本；(3)柔韧且易于纺织；(4)高导电性。此外，对于工作环境的能量收集，现有技术通常包括的是压电发电、热电发电、电磁发电和摩擦发电等，尚没有关于通过纤维布料式发电机对人体运动能进行收集以及利用纤维储能设备存储电能的记载。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种自充电布及采用该自充电布发电的方法，以解决现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种自充电布，自充电布包括编织在一起的摩擦发电机部分和电容器部分，其中所述摩擦发电机部分用于将人体运动过程中的机械能转化为电能，并输出电信号；以及所述电容器部分用于存储所述摩擦发电机部分输出的电信号。

本发明还提供一种采用上述自充电布发电的方法，其中，布料与所述自充电布的所述摩擦发电机部分接触/分离往复运动，在所述摩擦发电机部分产生电能；或者，所述摩擦发电机部分与人体皮肤相对运动，或两个所述摩擦发电机部分之间相对运动，在所述摩擦发电机部分产生电能；或者，所述摩擦发电机部分弯曲变形，在所述摩擦发电机部分产生电能。

通过上述技术方案，将本发明上述的自充电布用于织造衣物，由此可以通过自充电布中的摩擦发电机部分将人体运动的机械能转化为电能并输出电信号，通过所述电容器部分用于存储所述摩擦发电机部分输出的电信号，从而实现对可穿戴电子设备的持续供电。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明一种实施方式的自充电布的电路连接示意图；

图2是根据本发明一种实施方式的自充电布的摩擦发电机部分的结构示意图；

图3是示出了根据本发明一种实施方式的自充电布的电容器部分的电化学性能的图；

图4是示出了根据本发明一种实施方式的自充电布的电容器部分的串并联测试的示意图；

图5是示出了根据本发明一种实施方式的自充电布的电容器部分的柔性测试的示意图；

图6是示出了根据本发明一种实施方式的镀有金属镍膜的布料或线的电 阻随布料或线的长度变化的示意图；

图7是根据本发明一种实施方式的自充电布的摩擦发电机部分的工作原理图；

图8是示出了根据本发明一种实施方式的自充电布的摩擦发电机部分工作时的开路电压和短路电流的示意图；以及

图9是示出了根据本发明一种实施方式的在不同运动频率下摩擦发电机部分对电容器部分的充电曲线以及对应的1μA电流的放电曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是根据本发明一种实施方式的自充电布的电路连接示意图。

如图1所示，本发明一种实施方式提供的自充电布包括编织在一起的摩擦发电机部分10和电容器部分20，其中，所述摩擦发电机部分10用于将人体运动过程中的机械能转化为电能，并输出电信号；以及所述电容器部分20用于存储所述摩擦发电机部分输出的电信号。

其中，所述电容器部分20中存储的电信号可以用于为与其连接的可穿戴电子设备30供电。

通过将本发明上述的自充电布用于织造衣物，由此可以通过自充电布中的摩擦发电机部分将人体运动的机械能转化为电能并输出电信号，通过所述电容器部分用于存储所述摩擦发电机部分输出的电信号，从而实现对可穿戴电子设备的持续供电(只要存在人体运动，就可以不断地将机械能转换为可供使用的电能)。

根据本发明一种实施方式，该自充电布还包括整流桥40，连接在所述摩 擦发电机部分10与所述电容器部分20之间，用于将所述摩擦发电机部分10输出的电信号整流为直流电信号。从而实现对电容器部分20的充电。

根据本发明一种实施方式，所述摩擦发电机部分10包括输出所述电信号的第一电极101和第二电极102，所述第一电极101为镀有金属膜的布料或线，而所述第二电极102为依次镀有金属膜和高分子膜的布料或线。

其中，所述第一电极101和所述第二电极102相互交叉编织，优选垂直交叉编织。例如，将多个所述第一电极101纵向排列，并将多个所述电极102相对于所述多个第一电极101横向交叉编织(如图2所示，图2是根据本发明一种实施方式的自充电布的摩擦发电机部分的结构示意图)，反之亦然。多个第一电极101通过导线连在一起作为一个独立的第一电极101，类似地，多个第二电极102通过导线连在一起作为一个独立的第二电极102。第一电极101与第二电极102的排布原则是确保二者之间不短路。

根据本发明一种实施方式，所述电容器部分20包括两个电极和分别包覆所述两个电极以使所述两个电极绝缘的固态电解质层，所述电极包括柔性基底、形成在所述柔性基底表面的电极材料层。

其中，所述分别包覆有固态电解质层的两个电极相互缠绕或并排放置。

本发明中的电容器部分20具有良好的电化学性能，图3是示出了根据本发明一种实施方式的自充电布的电容器部分的电化学性能的图。图3中的(a)示出了电容器部分20在0-0.8V之间内进行不同扫描速率的循环伏安测试结果。循环伏安曲线的扫描速率最高可达1V/s，且保持接近矩形的形状，由此可以表明电容器部分20为双电层电容器，且具有良好的快速充放电性能。如图3中的(b)所示，电容器部分20在0-0.8V之间恒流充放电最快仅需要约1s的时间。如图3中的(c)所示，当充放电电流为0.1A/cm³时，放电电容为8.9mF/cm(56.4mF/cm²)，当增加电流密度10倍至1A/cm³时，放电容量为5mF/cm(31.8mF/cm²)。此外，如图3中的(d)所示，电容器 部分20具有稳定的循环性能，在0.2A/cm³电流下充放电循环10000次，电容保持率为96％。

其中，可以通过将不同数量的电容器部分20进行串并联来调控电压或电流。例如，图4中的(a)是1至5个电容器部分20串联后的充放电曲线，可以最高增加电压至4V。图4中的(b)为1至5个电容器部分20并联后的循环伏安曲线，可以线性增加电流。

根据本发明一种实施方式，所述电极材料层包括在所述柔性基底表面依次形成的金属膜和石墨烯膜。

其中，所述柔性基底为布料或线。例如，所述布料或线可以为聚酯纤维线(或布)、棉线(或布)、尼龙线(或布)等等，本发明不限于此。在采用例如聚酯纤维线的情况下，线的直径范围例如可以为20μm至5cm。

在本发明中，由于电容器部分20采用布料或线作为基底，因此，本发明提供的电容器部分20具有良好的柔性。如图5中的(a)和(b)所示，电容器部分20在弯曲角度为30、60、90、180度下的循环伏安曲线几乎没有变化。如图5中(c)和(d)所示，经过1000次180°循环弯曲，电容器部分20的充放电电容量几乎没有下降。由此可见，本发明的纤维超级电容器具有好的电化学稳定性和柔性，可应用于穿戴电子设备。

根据本发明一种实施方式，所述金属膜为金属镍膜。可替换地，所示金属膜还可以为金属铜膜、金属铝膜或金属铁膜等等。

镀有金属镍膜的布料或线具有良好的导电性能，如图6所示，其电阻随长度线性增加(即镍膜均匀)，且单位长度电阻仅为1.48Ohm/cm。

其中，在本发明中，金属镍通过无电镀方法制备。例如，以普通聚酯纤维线为例，在聚酯纤维线的表面镀镍金属膜的典型合成方法为：利用金属钯离子Pd²⁺和金属亚锡Sn²⁺离子作为催化剂，在含有镍离子的反应溶液中反应生成金属镍。先将聚酯纤维线(或者布)用去离子水清洗，再依次浸入SnCl₂ 水溶液(10g/L SnCl₂和40mL/L 38％HCl)和PdCl₂水溶液(0.5g/L PdCl₂和20mL/L 38％HCl)各10分钟，每次均需用去离子水清洗。然后将聚酯纤维线(或布)放入含镍离子的反应液中(17.5g/L NiSO₄、25g/L NaH₂PO₂·H₂O、30g/L H₃BO₃、15g/L Na₃C₆H₅O₇·2H₂O)，用质量分数为10％的NaOH溶液调节PH值。通过控制反应时间、反应温度、以及反应容液的PH值可以控制导电电极的导电性能。反应温度范围可为25-100摄氏度，溶液PH范围是7-12，反应时间在室温下通常为24小时，在80摄氏度的条件下反应时间可缩短至10分钟。

在本发明中，石墨烯通过水热自组装方法制备。例如，在前述金属膜为金属镍膜的情况下，将镀有金属镍膜的聚酯纤维线浸入2mg/mL的氧化石墨烯水溶液的封口瓶内，加热至80摄氏度并保温2至6小时，即可在镀镍聚酯纤维线表面形成氧化石墨烯膜。接着，再用0.1mol/L的抗坏血酸水溶液在80摄氏度还原氧化石墨烯2至6小时，然后取出聚酯纤维线，并用去离子水洗掉残留抗坏血酸，并自然干燥即可制得镀有石墨烯膜的聚酯纤维线。

本领域技术人员应当理解，上述关于金属镍和石墨烯的制备方法以及在该方法中使用的各溶液浓度含量及反应条件均是示例性的，并非用于限定本发明。此外，本领域技术人员也可以使用现有技术中已有的方式制备金属镍和石墨烯，本发明不对此进行限定。

根据本发明一种实施方式，所述高分子膜为聚对二甲苯(Parylene)高分子膜。其中，可以通过化学气相沉积法在所述金属镍膜上形成Parylene高分子膜，在该方法中，使用Dichloro-[2,2]-paracyclophane(二氯对二甲苯二聚体)作为镀膜的气源。

根据本发明一种实施方式，固态电解质层可以为凝胶状固态电解质层。例如PVA/H₃PO₄或PVA/LiCl。

以聚乙烯醇/磷酸凝胶电解质(PVA/H₃PO₄)为例，其可以通过如下方法 制备，先将1g PVA/H₃PO₄加入10mL水中，并在90℃油浴中搅拌1小时，然后冷却至室温，加入1g浓磷酸溶液(质量分数为85％)，由此得到凝胶状固态电解质溶液。之后，将两个的形成有电极材料层的柔性基底浸泡在所述凝胶状固态电解质溶液中，取出后得到电容器部分20的两个的电极，将所述两个的电极接触在一起得到电容器部分20。

类似地，上述的制备方法以及在该方法中使用的各溶液浓度含量及反应条件均是示例性的，并非用于限定本发明。同样，本领域技术人员也可以使用现有技术中已有的方式制备凝胶电解质，本发明不对此进行限定。

虽然在上述实施方式中以线为例对本发明进行了描述，但本领域技术人员应当理解，采用布料与采用线的情形是相类似，本发明不再赘述。例如，将所采用的线替换为一定宽度的布条即可，布条可以通过裁剪布料得到，其宽度例如可以为0.2cm至5cm，本领域技术人员可以根据实际情况进行设定。

本发明还提供一种采用上述实施方式中的自充电布发电的方法，其中，布料与所述自充电布的所述摩擦发电机部分10接触/分离往复运动，在所述摩擦发电机部分10产生电能；或者，所述摩擦发电机部分10与人体皮肤相对运动，或两个所述摩擦发电机部分10之间相对运动，在所述摩擦发电机部分10产生电能；或者，所述摩擦发电机部分10弯曲变形，在所述摩擦发电机部分10产生电能。

图7是根据本发明一种实施方式的自充电布的摩擦发电机部分的工作原理图。图8是示出了根据本发明一种实施方式的自充电布的摩擦发电机部分工作时的开路电压和短路电流的示意图。图9是示出了根据本发明一种实施方式的在不同运动频率下摩擦发电机部分对电容器部分的充电曲线以及对应的1μA电流的放电曲线。下面结合图7至图9描述本发明的摩擦发电机部分10的发电原理。在图7至图9中，以聚酯纤维、镍膜和parylene为例进行说明。

本发明的摩擦发电机部分10可收集人体运动机械能。如图7所示，当一块普通布和摩擦发电机部分10进行接触时，摩擦起电效应使得parylene表面形成负电荷，当普通布远离时，在两个镍电极间由于静电感应的作用电子通过外电路流动。当进行接触/分离的往复相对运动时，在摩擦发电机部分10产生电能，在外电路会形成往复流动的交变电流。随着接触/分离运动的频率的增加，外电路的输出短路电流也会增加(如图8中的(b)所示)，但输出开路电压变化不大(如图8中的(a)所示)。摩擦发电机部分10的发电还可通过摩擦发电机部分10与人体皮肤的相对运动、两个摩擦发电机部分10之间的相对运动、以及单个摩擦发电机部分10本身的弯曲变形(由于自充电布本身具有较好的柔软性，人体的运动相应地带动自充电布发生弯曲变形)来实现，在摩擦发电机部分10产生电能。本发明的自充电布使用柔性的布料或线作为基底材料，易于编织，透气且柔性好。

本发明的摩擦发电机部分10和电容器部分20可编织到一张布中。在摩擦发电机部分10和电容器部分20间连接一个整流桥，即可将摩擦发电机部分10的输出交变电流变为只有正向电流输出，从而可对电容器部分20充电。如图9所示，当发电布与普通布的往复运动频率为5Hz时，2009秒钟内可将三个串联的电容器充电至2.1V，并且充电后的电容器可在1μA电流下持续放电811秒钟。当往复运动频率为10Hz时，充电时间仅需913秒钟，且持续放电时间为808秒钟。由此可见，本发明的自充电布可实现对人体运动能量的收集和存储功能。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必 要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。