基于压电超级电容器的自充电能量装置及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及新型能源技术领域，尤其涉及一种基于压电超级电容器的自充电能量装置及其制作方法。
【背景技术】
[0002]探索新型高效、绿色稳定的新型能源是解决如今能源危机的一种可行方案，而对于能量系统而言，能量的采集和存储是两个关键部分。对于各种电子器件，大都需要电源供能，而传统的供能方式和复杂的供能系统已经无法满足器件小型化的需求。近年来，纳米发电机和超级电容器的发展为小型化器件提供了一种新的能量系统方式，其中，压电型纳米发电机可以将外界的振动能转化成电能，超级电容器则将采集到的电能高效的存储起来，满足器件运行的需要。
[0003]对于诸如压电型纳米发电机等能量采集器件，研究人员进行了大量的探索，在现有技术中的一个纳米发电机、纳米发电组件及其自供电系统方案中，各类压电材料可以将不规则和低频的机械振动转化为电能，具有较好的转移电荷能力，对电容的充电速度较快。此外，相比于可充电电池和传统电容器等能量存储器件，超级电容器具有高功率密度、充放电速度快、循环稳定性强等优势，近年来被广泛的研究，其中，柔性的固态超级电容器可以满足可穿戴设备与柔性电子器件的需求。
[0004]然而，能量采集器件与能量存储器件之间需要复杂的转换器件，降低了集成度，增加了不必要的能量损失，因此，需要设计一种新型自充电能量装置，将压电型纳米发电机与柔性超级电容器集成起来，使采集到的能量直接高效存储。
【发明内容】
[0005]本发明的实施例提供了一种基于压电超级电容器的自充电能量装置及其制作方法。
[0006]为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
[0007]—种基于压电超级电容器的自充电能量装置，包括:压电薄膜、柔性电极和固态电解质；
[0008]所述的压电薄膜，用于与固态电解质连接，当压电薄膜的外表面接受到外界施加的应力后，在压电薄膜的上下表面间产生极化电荷，对固态电解质中离子电荷进行吸引；
[0009]所述的固态电解质，用于设置在所述压电薄膜和柔性电极之间，与所述压电薄膜和柔性电极连接，当压电薄膜两侧产生极化电荷后，固态电解质中离子电荷被吸引产生定向移动，离子电荷向柔性电极迀移；
[0010]所述的柔性电极，用于与所述固态电解质连接，将固态电解质中定向移动的离子电荷存储在柔性电极与固态电解质之间。
[0011]优选地，所述装置包括一个压电薄膜、两个柔性电极和两个固态电解质，所述压电薄膜设置在两个柔性电极之间，所述两个固态电解质分别和两个柔性电极连接。
[0012]优选地，所述压电薄膜为具有压电特性的多孔薄膜。
[0013]优选地，所述电极为附着多壁碳纳米管的柔性滤纸。
[0014]优选地，所述固态电解质为凝胶聚合物。
[0015]—种基于压电超级电容器的自充电能量装置的制造方法，包括:
[0016]通过称量将CNT与SDBS混合，并加入到去离子水中，得到碳纳米管溶液；
[0017]将所述碳纳米管溶液滴在柔性滤纸上，对所述柔性滤纸进行烘干处理，直到柔性滤纸的CNT浓度完全饱和，将CNT浓度完全饱和的柔性滤纸作为柔性电极；
[0018]通过碱性溶液刻蚀的方法，在具有压电特性的薄膜表面形成多孔结构，将多孔结构的具有压电特性的薄膜作为压电薄膜；
[0019]将聚合物加入到去离子水中，在磁力辅助下对加入了聚合物的去离子水进行搅拌至溶液透明，将透明的加入了聚合物的去离子水凝胶作为固态电解质；
[0020]将所述压电薄膜浸入所述固态电解质中，设定放置时间，使所述压电薄膜和所述固态电解质充分接触，所述压电薄膜的两侧均匀覆盖一层固态电解质；
[0021]通过应力按压的方式，将覆盖了固态电解质的压电薄膜夹于两片所述柔性电极中间，得到三层结构的基于压电超级电容器的自充电能量装置。
[0022]优选地，所述的通过称量将CNT与SDBS混合，并加入到去离子水中，得到碳纳米管溶液，包括:
[0023]通过称量将CNT与SDBS混合，并加入到去离子水中；CNT与SDBS的质量各为3-15mg，去离子水的体积为30-150ml，通过水浴超声的方法，使CNT与SDBS充分接触，完全溶解在DI水中，得到碳纳米管溶液。
[0024]优选地，所述的将所述碳纳米管溶液滴在柔性滤纸上，对所述柔性滤纸进行烘干处理，直到柔性滤纸的CNT浓度完全饱和，将CNT浓度完全饱和的柔性滤纸作为柔性电极，包括:
[0025]通过滴加烘干的工艺，将所述碳纳米管溶液滴在柔性滤纸上，对所述柔性滤纸进行烘干处理，进行多次滴加、烘干后，直到柔性滤纸的CNT浓度完全饱和，将柔性滤纸作为柔性电极;所述柔性滤纸的面积大小为0.01-100cm2，单次烘干温度为60°C，单次烘干时间为
0.5小时。
[0026]优选地，所述的得到三层结构的基于压电超级电容器的自充电能量装置之后，还包括:
[0027]通过恒温烘干的方式，将所述基于压电超级电容器的自充电能量装置置于烘箱中，除去器件中残留的水分子，得到基于压电超级电容器的自充电能量装置，烘干温度为45°C，烘干时间为12小时。
[0028]由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明提出的基于压电超级电容的自充电能量单元将能量的产生与存储为一体，使得压电型纳米发电机与柔性超级电容器有效地集成起来，并且具有能量转换效率高，存储容量高，器件柔性好等优点，在可穿戴设备等领域有很好的应用前景。该装置在单个器件中即可实现能量的转化与电能的存储。无需采用外部整流桥装置，集成度更高，实现了外界机械能到电能的高效采集与存储。
[0029]本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0030]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0031]图1为本发明实施例提供的一种基于压电超级电容的自充电能量装置的结构示意图；
[0032]图2为本发明实施例提供的一种柔性CNT纸基电极扫描电镜照片；
[0033]图3为本发明实施例提供的一种PVDF压电薄膜扫描电镜照片；
[0034]图4为本发明实施例提供的一种自充电能量装置的充电波形。
【具体实施方式】
[0035]下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0036]本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
[0037]本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来