摩擦纳米发电机和摩擦发电方法与流程

本发明涉及一种发电机，具体地涉及将施加的机械能转化为电能的摩擦纳米发电机和摩擦发电方法。

背景技术：

由于能源危机和环境压力，人们一直致力于研究维持现代社会的巨大能源消耗的同时最小化环境的消耗。从可再生的自然环境中收集能量是一种缓解能源危机的有效方案。2012年王中林院士发明的用于收集环境中普遍存在却常常被浪费掉的机械能的摩擦纳米发电机(teng)，已经被证实是一个具有深远意义的解决方案。

作为一个能量收集者，摩擦纳米发电机的商业化应用强烈的依赖与它的功率密度，其和表面摩擦电荷密度成二次方关系。因此，人们一直以来致力于通过改善材料、结构优化和表面修饰等方法来提高摩擦电荷的数量。例如，通过电晕放电来人工注入离子被认为是一种直接的方式来提高电荷密度，结果是产生的电荷密度高达240μcm^-2，但是长时间的稳定保持仍旧是问题。最近，通过结构和材料的设计与优化，摩擦纳米发电机的输出电荷密度高达250μcm^-2。然而，在此之前的研究中可以实现的输出电荷密度都受限于空气击穿现象，并且摩擦电荷密度的极限值与摩擦介质层厚度有关，为了获得高的电荷密度，需要超薄的介质层，从而带来机械强度和稳定性降低等问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术存在在高电荷密度下的空气击穿问题，提供一种摩擦纳米发电机，该摩擦纳米发电机能破除介质层厚度与摩擦电荷密度的关联，以获得高功率密度。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机包括：

第一发电部件和第二发电部件，用于互相摩擦或接触分离以产生电能；其中，所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离的表面之间为真空。

优选的，还包括密封结构，用于在所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离的表面之间提供真空。

优选的，所述密封结构为真空腔，所述第一发电部件和所述第二发电部件置于所述真空腔内。

优选的，所述密封结构为包覆层，用于包覆在所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离的表面之间。

优选的，所述真空的真空度范围为10^-2—10^-7托。

优选的，所述摩擦纳米发电机为滑动式摩擦纳米发电机、接触-分离式摩擦纳米发电机、单电极式摩擦纳米发电机、感应式摩擦纳米发电机。

优选的，所述第一发电部件包括第一电极层，所述第二发电部件包括摩擦层，所述第一电极层与所述摩擦层面对面设置并且可以互相摩擦或接触分离。

优选的，所述第一电极层电连接至等电位或者导体，第一电极层与摩擦层互相摩擦或者接触分离过程中，在所述第一电极层与所述等电位或者导体之间产生电信号。

优选的，所述第二发电部件还包括：

第二电极层，所述第二电极层与所述摩擦层接触设置，所述第一电极层与摩擦层互相摩擦或者接触分离过程中，在所述第一电极层与所述第二电极层之间产生电信号。

优选的，所述第一发电部件包括第一摩擦层和与第一摩擦层接触设置的第一电极层，第二发电部件包括第二摩擦层和与第二摩擦层接触设置的第二电极层；

所述第一摩擦层与所述第二摩擦层面对面设置，并且所述第一摩擦层与所述第二摩擦层互相摩擦或接触分离过程中，在所述第一电极层和第二电极层之间产生电信号。

优选的，所述摩擦层为介质层。

优选的，所述介质层的厚度为30nm-1mm。

优选的，所述第一发电部件和/或所述第二发电部件设置有缓冲层；

和/或，

所述第一发电部件和第二发电部件中至少一个为柔性部件。

优选的，所述密封结构为柔性材料。

优选的，所述密封结构包括出气口，所述出气口用于连接真空设备。

相应的，本发明还提供一种摩擦发电方法，采用上述任一项所述的摩擦纳米发电机，所述方法包括：

将所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离以产生电能，其中，所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离的表面之间为真空。

优选的，所述方法还包括：

在所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离以产生电能前，对所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离的表面之间进行抽真空。

优选的，所述真空的真空度范围为10^-2—10^-7托。

通过上述技术方案，在高真空下能有效防止摩擦起电过程的空气击穿。相对于工作在大气中(1个标准大气压)的摩擦纳米发电机，本发明功率密度可以得到20倍以上的提高。另外，由于在真空之中，本发明的摩擦电荷密度不受摩擦介质层厚度制约，可以采用较厚的摩擦介质层，从而降低成本和提高摩擦纳米发电机的稳定性。更进一步，本发明采用柔性材料，其能够提供柔性接触和碎片化结构，从而增强摩擦纳米发电机的输出性能。

本发明实施例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实施例的进一步理解，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实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是根据本发明摩擦纳米发电机的典型结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机的结构示意图；

图3是根据本发明另一个实施例的摩擦纳米发电机的结构示意图；

图4是根据本发明实施例2的摩擦纳米发电机的结构示意图；

图5a-e是根据本发明实施例2的测试结果；

图6是根据本发明又一个实施例的摩擦纳米发电机的结构示意图。

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。

本发明提供的摩擦纳米发电机包括第一发电部件和第二发电部件，用于互相摩擦或接触分离以产生电能；其中，所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离的表面之间为真空。

现有的所有的结构的摩擦纳米发电机中，只要涉及的发电是在两个能够互相接触分离或者互相滑动摩擦产生电信号的发电机结构，均适用于本发明的摩擦纳米发电机，包括滑动式摩擦纳米发电机、接触-分离式摩擦纳米发电机、单电极式摩擦纳米发电机、感应式摩擦纳米发电机等。本发明首次提出在真空环境下收集机械能转变为电能，能够显著提高能量转换效率。

下面结合附图具体介绍本发明提供的新型摩擦纳米发电机以及发电方法。

摩擦纳米发电机的一种典型结构参见图1，包括第一发电部件a和第二发电部件b，其中，第一发电部件a包括第一摩擦层a1和与第一摩擦层a1接触设置的第一电极层a2，第二发电部件b包括第二摩擦层b1和与第二摩擦层b1接触设置的第二电极层b2。其中，第一摩擦层a1与第二摩擦层b1面对面设置，并且第一摩擦层a1与第二摩擦层b1互相摩擦或接触分离(图中箭头方向所示)过程中，在第一电极层a2和第二电极层b2之间产生电信号。由于两个摩擦层a1和b1材料的表面摩擦电极序存在差异，例如不同种类的有机物，或者导体和绝缘体，互相接触分离或者滑动摩擦过程中，表面带有的电荷互相分离，产生电势差，为了平衡该电势差，在第一电极层a2和第二电极层b2之间存在电荷流动，形成电信号。

一个摩擦层的材料选择导电材料时，可以同时充当摩擦层与电极层，因此可以省略与其接触设置的电极层。如图2中所示，第一发电部件包括第一电极层12(同时充当第一摩擦层)，第二发电部件包括摩擦层13以及与摩擦层13接触设置的第二电极层16，第一电极层12与摩擦层13面对面设置并且可以互相摩擦或接触分离。

将图1中的摩擦纳米发电机整体放置在真空环境中，可以设置密封结构，该密封结构用于为第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离的表面之间提供真空。该密封结构可以为真空腔，如图2中的密封腔11，将第一发电部件和第二发电部件全部全都设置在密封腔11内。密封结构也可以为包覆层，如图6，用于包覆在第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离的表面之间，例如仅在第一摩擦层和第二摩擦层之间设置包覆层(如第一电极层12和摩擦层13之间设置包覆层31)。对与需要随着摩擦纳米发电机的两个发电部件互相移动而变形的情况，形成密封结构的材料优选为柔性材料，密封结构可以在受到外界机械作用下发生相应的形状改变。密封结构的材料优选为柔性有机物绝缘材料，例如硅胶等。

在单电极结构的摩擦纳米发电机中，第一部件包括第一电极层，第二部件包括摩擦层，第一电极可以直接与地或者导体电连接，第一电极层与摩擦层互相摩擦或者接触分离过程中，在第一电极层与所述等电位或者导体之间产生电信号。

图2是根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机的结构示意图。该摩擦纳米发电机包括真空腔11、第一电极12、摩擦层13、与摩擦层13接触设置的第二电极16。真空腔11是密封结构，用于为摩擦纳米发电机在真空腔内提供真空。第一电极12、摩擦层13和第二电极16置于真空腔11内，第一电极12和摩擦层13在真空腔11所提供的真空环境下互相摩擦产生电能。第一电极12和第二电极16通过导线14连接至负载15，以对负载提供电能。负载15可置于真空腔11的外面或里面。

本发明的摩擦纳米发电机，密封结构可以使完全密封的真空腔，不能与外界连通，也可以设置出气口，在需要时通过真空设备抽真空获得，这样的设计可以拓宽摩擦纳米发电机的应用范围，无论是真空环境下还是普通大气压下均可以使用。图3是根据本发明另一个实施例的摩擦纳米发电机的结构示意图。该摩擦纳米发电机相似于图2的摩擦纳米发电机，但还包括真空腔11(即密封结构)的出气口，用于连接真空设备如真空泵17。真空泵17和出气口连接并对所述真空腔进行抽真空。

本发明通过对包括密封结构的摩擦纳米发电机器件进行抽真空,特别是当真空度达到10^-6torr以上时，可以有效防止摩擦起电过程的空气击穿。本发明中，摩擦纳米发电机的两个发电部件互相接触分离或者滑动摩擦的表面之间真空的真空度范围为10^-2—10^-7托。

实施例1

实施例1使用接触-分离式摩擦纳米发电机，其中，金属铜电极与聚四氟乙烯薄膜直接摩擦、摩擦面积为3cmx3cm，在大气中摩擦的表面电荷密度为46μcm^-2，当真空度达到10^-6torr以上时，表面电荷密度达到203μcm^-2。在相同的摩擦频率下，最大输出功率密度由大气中的0.71wcm^-2提升到真空中的14.6wcm^-2。相对于工作在大气中(1个标准大气压)的摩擦纳米发电机，功率密度可以得到20倍以上的提高。

实施例2

在接触-分离式摩擦纳米发电机中，由于第一发电部件和第二发电部件互相接触分离式运动，为了提高发电机的输出，可以将第一发电部件和第二发电部件中至少一个设置为柔性部件，选择柔性材料制备发电部件，使互相接触式提高摩擦接触面积。例如摩擦层和电极层均采用有机物柔性材料。也可以在刚性的第一发电部件或者第二发电部件上单独设置柔性的缓冲层。缓冲层的材料选择柔性材料，例如泡沫棉或者弹性的橡胶等。

实施例2使用改进后的接触-分离式摩擦纳米发电机，其中，在第一发电部件和/或第二发电部件的背面设置柔性材料作为缓冲层以提高摩擦接触效率。图4示出实施例2的摩擦纳米发电机，作为缓冲层的柔性材料22(例如，橡胶)置于下金属铜电极21a(第一发电部件)和下基板24a(例如，丙烯酸板)之间，上金属铜电极21b置于聚四氟乙烯(ptfe)薄膜23和上基基板24b之间。下金属铜电极21a和上金属铜电极21b通过导线电连接(图中未示出)。通过下金属铜电极21a和聚四氟乙烯薄膜23的接触-分离以产生电能。由于柔性接触和碎片化结构可以增强摩擦纳米发电机的输出性能，当cu电极和ptfe发生接触时，橡胶顺应于机械压力，从而提高两者的接触程度。测试结果表明，摩擦纳米发电机在大气中的摩擦电荷密度测量值达到了120μcm^-2(如图5a)，这大约是没有软性接触或者碎片化结构的传统teng的2.4倍。当同样的加缓冲层的摩擦纳米发电机在真空中(p～10^-6torr)工作时，可以避免发生帕邢定律所述的大气击穿，因此摩擦电荷密度也由120μcm^-2提升到了660μcm^-2(如图5a)。相应地，开路电压也由20v提高到了100v(如图5b)，短路电流的峰值由60mam^-2提高到300mam^-2(如图5c)；在只有2hz的低频，负载20mω条件下，最大输出功率密度也由0.75wm^-2(如图5d)增大到16wm^-2(如图5e)。

实施例3

实施例3使用改进后的接触-分离式摩擦纳米发电机，其中，金属铜电极与聚四氟乙烯薄膜的背面均加上柔性材料以提高摩擦接触效率、摩擦面积为0.8cm²。当介质层聚四氟乙烯的厚度从200μm增加到600μm时，在大气中的摩擦的表面电荷密度从120μcm^-2降到90μcm^-2，而在真空中的电荷密度从660μcm^-2略增加到680μcm^-2。从上可见，介质层薄膜厚度对摩擦电荷密度是具有很大的影响。当ptfe在大气中的厚度由200μm增加到600μm时，电荷密度由120μcm^-2减少到90μcm^-2，因为间隙电压会随着薄膜的厚度的增加而增大，也就是说电荷密度越低，间隙电压越大，空气击穿就越容易。至于在真空之中就无需考虑空气击穿，ptfe更厚时，摩擦纳米发电机的摩擦电荷密度实际上会稍微地变高，达到680μcm^-2，这是由于更大的接触程度，而且输出功率密度也由大气中的0.4wm^-2提高到20wm^-2，增强了49倍。因此，通过使用高真空提高摩擦纳米发电机的性能是不受绝缘层厚度限制的。

本发明中摩擦电荷密度不受摩擦层厚度制约，可以采用较厚的介质层作为摩擦层材料，从而降低成本和提高摩擦纳米发电机的稳定性。优选的，所述介质层的厚度范围可以为30nm-1mm。

本发明的技术方案也适合于将已有的所有类型的摩擦纳米发电机，实验证实，在真空条件下，摩擦纳米发电机的输出性能均有所提高。

本发明的摩擦纳米发电机能作为一种高效机械能收集器件用于大规模能源，如海浪能，或者，作为一个自驱动电源模块整合器件。

实施例4

本发明还提供一种摩擦发电方法，将上述摩擦纳米发电机的第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离以产生电能，其中，所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离的表面之间为真空。

可以在所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离以产生电能前，对所述第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离的表面之间进行抽真空；也可以在发电机发电过程中进行抽真空以提供第一发电部件和第二发电部件互相摩擦或接触分离的表面之间的真空。

本实施例中，真空的真空度范围为10^-2-10^-6托。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。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，包括各个具体技术特征以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。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。