柔性混合能量生成和存储电源单元的制作方法

本文公开的示例性和非限制性实施例总体上涉及电子设备和方法，并且更具体地，涉及生成和存储能量的电子混合电源设备。特定的实施例及其各个方面涉及便携式电子设备，其中采用能量的可再生和可持续源。

背景技术：

能量收集是从外部源(例如，太阳能或动能)得到能量、捕获能量并进行存储来用于各种设备的随后使用的处理。可使用存储能量的设备通常包括小型独立设备，诸如可佩戴电子产品和传感器网络。这些设备可以是有线或无线的。

技术实现要素：

以下总结仅仅是示例性的。该总结不用于限制权利要求的范围。

根据一个方面，一种装置包括：分离器/电解质组件；第一能量存储部分，设置在分离器/电解质组件的第一表面上；第二能量存储部分，设置在分离器/电解质组件的第二表面上；第一金属化压电膜，设置在第一能量存储部分上；以及第二金属化压电膜，设置在第二能量存储部分上。当向第一金属化压电膜施加力时，压电效应将机械应力转换为电势并且每个能量存储部分都存储在第一能量存储部分和第二能量存储部分中转换的能量，用于随后从第一能量存储部分和第二能量存储部分向电子设备的释放。

根据另一方面，一种方法包括：在装置中生成电压，该装置包括分离器/电解质组件、设置在分离器/电解质组件的第一表面上的第一能量存储部分、设置在分离器/电解质组件的第二表面上的第二能量存储部分、设置在第一能量存储部分上的第一金属化压电膜和设置在第二能量存储部分上的第二金属化压电膜。当向第一金属化压电膜施加力时，压电效应将机械应力转换为电势，并且每个能量存储部分都存储在第一能量存储部分和第二能量存储部分中转换的能量，并且从第一能量存储部分和第二能量存储部分向电子设备释放存储的能量。

根据另一方面，一种用于操作混合电源设备的装置包括：用于在混合电源设备中生成电压的装置；用于存储在混合电源设备中生成的能量的装置；以及用于从用于存储能量的装置向电子设备释放存储能量的装置。用于操作混合电源设备的装置可以包括用于控制所存储能量的释放的装置。

附图说明

结合附图，在以下描述中说明前述方面和其他特征，其中：

图1是现有技术的锂离子电池结构的组件的立体图；

图2是现有技术的柔性织物的组件的示意图；

图3a是超级电容器形式的混合电源设备的示意图；

图3b是图3a的超级电容器的等效充电电路的示意图；

图4a是实施为超级电容器的柔性混合电化学单元的示意图；

图4b是实施为混合锂电池的混合电源设备的示意图；

图5a是原型混合超级电容器的电容行为的循环伏安图；

图5b是原型混合超级电容器的充电和放电曲线的图形表示；

图6a是组装为不锈钢钱币形单元的混合超级电容器的部件的分解立体图；

图6b是安装在用户的鞋中的不锈钢钱币形单元的示意图；以及

图7是收集和存储能量用于电子设备的随后使用的方法的流程图。

具体实施方式

动能收集是从诸如人类运动的移动、低频地震振动或者由于声噪声而导致的薄膜移动中捕获能量或者从周围环境源(诸如热、光或水流)得到的移动中捕获能量的环境友好方式。所捕获的能量随后被存储来用于随后的使用，例如存储在可充电电池中。通常，用于对可充电电池进行充电的能量来自于使用ac电力的电池充电器。然而，对于一些应用来说，电池可充电会存在困难或者是不可能的。即使不存在所捕获的能量，能量收集也可用作用于在紧急情况下提供能量的方式，例如作为传统备份电源的可选方式。

本文公开的各种示例性实施例的目的在于提供一种便携式和可佩戴电子设备，其基于从周围环境源中收集的可再生和可持续能量进行操作。这种便携式和可佩戴电子设备包括但不限于手持移动设备和/或可佩戴设备，诸如电话、相机、电视、视频/音频设备、导航设备、游戏设备、消息传送设备、网络浏览器、前述设备的组合等。对使用这些设备的阻碍在于用于存储所收集能量的电池的大小和重量。

参照图1，以100总体示出现有技术的锂离子电池结构的组件，并且下文称为“电池100”。在电池100中，阳极层102和阴极层104设置在分离层106的相对侧上。阳极层102和阴极层104由有效电极材料以及薄的柔性金属箔形式的支持电流收集器组成。在电池100中，阳极层102是涂覆在铜箔上的碳膜，并且阴极层104是涂覆在铝箔上的锂金属氧化物膜。从相应材料的线轴(spool)馈送用于阳极层102、阴极层104和分离层106的材料，并且使用压轮108进行组装来形成电池100作为单一层110。

参照图2，以200总体示出现有技术的柔性织物的组装，并且下文称为“织物200”。织物200是集成的薄膜织物叠件，包括能量释放层202，在能量释放层202上设置有可充电能量存储层204。任选的充电/放电层206可以设置在可充电能量存储层204上。可充电能量存储层204(或者可充电能量存储层204与任选的光学充电/放电层206组合)能够接收来自外部源的周围势能222，并且将接收到的能量转换为电能，在织物200的内部存储电能，并且以不同的方式释放电能作为能量224。

参照图3a至图6，本发明的示例性实施例的目的在于提供一种混合电源设备，其可用于生成和存储能量。这些混合电源设备是电化学单元(例如，电池或超级电容器)，其包括通过注入有电解质的分离器分离的两个电流收集器和电极。这种设备的一个实施例通过在电流收集器中集成有能量收集层来提供一种自充电电池或超级电容器。能量收集层可以是电池或超级电容器的不可分离的内部部件，并且如此实施具有能量收集和能量存储的混合功能的整体设备。

在使用能量收集层来从移动中收集能量的过程中，可以依赖于压电效应。压电效应采用其中机械应力被转换为电场的材料，该电场又被用于创建电流或电压，由此在一个结构中提供充电和存储能力。大多数压电电源产生豪瓦特数量级的电力，这通常不足以用于大多数系统应用，但是足以用于一些种类的无线独立设备和自供电机械传感器。

在本文公开的混合电源设备的示例性实施例中，一个或两个电流收集器由薄且柔性的金属化聚偏氟乙烯(pvdf)膜组成，其具有使用机械应力能量来分离电荷并且如此生成的电荷随后被存储在能量存储单元中的能力。金属化pvdf膜具有两个功能：将机械应力转换为电能(pvdf层)和用作电流收集器(金属层)。当设备被机械压缩或弯曲或以其他方式曲折时，电流收集器上的pvdf膜经历应变力，从而生成用作电荷泵的压电电势来对电化学单元进行充电。通过将金属化pvdf用作电流收集器而不是将pvdf用作电化学单元中的分离器(如现有技术所描述的)，两个pvdf层可以集成到该结构中，这会使得充电效应加倍。可以使用传统的电池和超级电容器电极和处理方法，这总体上简化了制造处理，促进了实践应用，并且有利于总体成本有效性。

在图3a至图6b所示的混合电源设备的制造中，制造过程类似于传统电池或超级电容器的制造，除了金属箔电流收集器变为金属化压电膜。没有额外的步骤来将电池连接至压电层，然后与图2所示织物200一样，将电池和压电层层压到一起。顶部和底部电极层上的两个外部金属电极可以用二极管309连接。这可以在卷对卷式(roll-to-roll)层压之后进行。这可以简化制造并降低制造成本。由于压电层可以直接沉积在电池或超级电容器的电流收集器上，所以所收集的能量可以以最小的电阻损耗直接被电化学地存储，使其可以比经由潜在损失导体将两个分离部分连接到一起更加有效率。

参照图3a，混合超级电容器形式的混合电源设备的工作机制总体由参考标号300来表示，并且以下称为“超级电容器300”。然而，本文描述的示例性实施例不限于超级电容器，因为混合电源设备的工作机制可以包括电池。超级电容器300包括注入有电解质的分离器302，以限定分离器/电解质组件304。由第一碳层306限定的第一电极设置在分离器/电解质组件304的一侧上，并且由第二碳层308限定的第二电极设置在分离器/电解质组件304的另一(例如，相对)侧上。可以制造分离器的材料包括适当的聚合物，例如聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯(ptfe)以及任何其他适当的聚合物。第一金属化pvdf膜310设置在第一碳层306上，并且第二金属化pvdf膜312设置在第二碳层308上。用于pvdf膜的金属化的材料可以包括铝。用于金属化的其他材料包括但不限于铜、铬、金、镍、银、铂、铑、任何前述材料的合金等。电解质可以是具有酸(诸如硫酸(h2so4))、碱质(诸如氢氧化钾(koh))或盐(诸如季膦盐、高氯酸钠(naclo4)、高氯酸锂(liclo4)或六孵化锂砷酸(liasf6))的水，或者可以是有机电解质(诸如乙腈、碳酸丙烯酯、四氢呋喃、碳酸二乙酯、γ-丁内脂)和具有季铵盐或烷基铵盐的溶液(诸如四乙铵四氟硼酸盐(n(et)4bf4)或三乙基(甲基)四氟硼酸盐(nme(et)3bf4))或凝胶电解质。二极管309可以连接至压电膜上的两个外部金属电极外电极，以能够在多个变形/释放循环中在单一方向上泵送电荷。二极管309可以是集成到结构中的薄膜型，或者其可以是连接至结构的外部模块，横跨第一金属化pvdf膜310和第二金属化pvdf膜312的金属表面中的最外表面连接。

当力f被施加至第一金属化pvdf膜310时，生成压电场。如果生成的场大于二极管309的阈值电压，则二极管309导通。横跨两个压电层生成的场在每个电解质-碳电极液体-固体界面处引起电荷分离，这有效地创建了通过电解质串联连接的两个双层电容器。在释放压力之后，二极管309截止，两个电极之间的电压保持存在，并且能量被存储在电极/电解质组件304/306中。压力的重复施加方式使得将重复的力f施加在第一金属化pvdf膜310上，这使得涓流充电连续地馈送给超级电容器300来保持电荷加满。金属化pvdf膜310、312与连接的二极管309并联，如用于传统超级电容器的dc电源进行操作。

可以通过耦合至超级电容器300的一个或多个部分的控制器320来控制超级电容器300的操作。具体地，超级电容器300可以耦合至具有处理器322和存储器324的控制器320，处理器322包括软件326，其中控制器320耦合至第一金属化pvdf膜310和第二金属化pvdf膜312的最内的金属化表面。超级电容器300的控制可以包括基于各种参数调节生成的能量的量或者调节释放的能量的量。

参照图3b，总体以330示出图3a的超级电容器的等效充电电路，并且以下称为“等效电路330”。等效电路330可以通过与二极管309和第二压电元件334b串联连接的第一压电元件334a、跨接第一压电元件334a和第二压电元件334b的输出335、以及与输出335并联连接的电容器/电感器336来限定。电容器/电感器336所包括的电容器338和限制电阻器340并联连接，并且与等效串联电阻器344和线圈348串联连接。

现在参照图4a和图4b，示出了混合电源设备的结构和制造。在图4a中，实施为超级电容器300的柔性混合电化学单元的一个示例性实施例的结构包括分离器/电解质组件304以及位于分离器/电解质组件304上的第一活性碳层306和第二活性碳层308，每一个活性碳层都操作为电极。第一金属化pvdf膜310和第二金属化pvdf膜312每一个都通过蒸镀(evaporated)铝层502夹置pvdf层500的金属化pvdf膜来形成，第一金属化pvdf膜310和第二金属化pvdf膜312分别设置在第一和第二碳层上。第一碳层306和第二碳层308存储能量，同时第一金属化pvdf膜310和第二金属化pvdf膜312均操作为能量生成组件。

仍然参照图4a，在制造超级电容器300的一个示例性实施例中，活性碳墨被条形涂覆(bar-coated)在金属化pvdf膜上以形成电极。然后，在100摄氏度下干燥印刷电极大约1个小时。在两个电极之间夹置吸收或注入有电解质的聚丙烯分离器。在本文公开的示例性实施例中，水中的1摩尔teabf4被用作电解质。作为超级电容器300的测试期间的控制，具有作为电流收集器的铝箔的超级电容器(不具有能量生成部分的结构)和具有由注入有电解质的分离器分离的两个金属化pvdf膜的单元(不具有能量存储部分的结构)也被制造并与超级电容器300进行比较。二极管309可以内部地(薄膜二极管)或外部地(诸如传统半导体二极管)连接在电流收集器之间。

在图4b中，混合电源设备的一个示例性实施例被实施为混合锂电池550，包括分离器/电解质组件552、其一侧上的锂金属氧化物膜554和其相对侧上设置的石墨层556，从而限定能量存储部分。夹置在蒸镀铝层502之间的pvdf膜500设置在锂金属氧化物膜554上，以及夹置在蒸镀铜层562之间的pvdf膜560设置在石墨层556上。

现在参照图5a和图5b，具有和不具有pvdf膜的超级电容器300示出了由电化学测量所测试的相似电容行为。具体地，在图5a中总体以600示出的循环伏安图示出了作为电压的函数的电流的特性。在图5b中，曲线610示出了充电曲线612和放电曲线614以示出混合设备操作为超级电容器。

基于碳的超级电容器300物理地存储能量，与锂电池相比没有化学或相位变化。理论上可以没有限制地且高速地反复不断地重复充电/放电过程。这可以使得超级电容器300与锂电池相比是用作混合能量存储设备的理想选择。

现在参照图6a，自充电电化学单元(例如，超级电容器300)可以组装为不锈钢钱币形单元800。例如，每个单元800都包括超级电容器300(分离器302以及其上设置有金属化pvdf膜310、312的电极306、308，并且二极管309结合在其中)，超级电容器300被波形弹簧(wavespring)802和至少一个间隔件804夹置并且包含在可被盖808和垫圈809封闭的罐状体806中。如图6b所示，一个或多个不锈钢钱币形单元800可以安装在用户的鞋810中(例如，在鞋后跟中)，以在用户走路、慢跑或跑步的同时收集能量。不锈钢钱币形单元800可以操作为备用或备份电源。

现在参照图7，总体通过参考标号900来表示收集和存储能量用于随后被电子设备使用的方法，并且下文称为“方法900”。在方法900中，使用超级电容器300在生成步骤911中生成电压。在存储步骤914中，生成的电压在超级电容器300的第一能量存储部分和第二能量存储部分中被存储为能量。在需要能量时，例如为了对电子设备供电，在释放步骤924中释放能量。生成步骤911、存储步骤914和释放步骤924中的任何一个或所有都可以独立地通过具有处理器917(包括软件968)和存储器959的控制器928来控制。例如，如果所存储能量的量处于最大，则在生成步骤911中生成的电压量可以通过处理器917来调节(例如，按比例缩减)。此外，如果存储的能量低于特定最小值并且没有生成，则可以限制释放至设备的能量的量，从而避免所存储能量的完全消耗。控制器928、处理器917、存储器959和软件968可以对应于图3a所示的控制器320、处理器322、存储器324和软件326。

在混合电源设备(超级电容器300等)的任何示例性实施例中，设备可以与传统的电源设备结构(例如，如图1和图2所示)相比较薄。通常地，在薄膜电池和超级电容器中，多个阳极、阴极和分离器层可以堆叠在一起来在有限空间中增加容量。对于图2所示的结构，这必须分别进行，从而使得制造复杂且会增加设备的厚度。实际上，能量生成和能量存储通常可以在两个独立的单元中完成，这会增加任何电源系统的成本和尺寸。

然而，在本文公开的示例性实施例中，可以实现能量收集和能量存储部分堆叠在一起，这可以增加每单位体积的存储容量。此外，关于本文公开的混合电源设备，压电膜本身可以是不传导的，使得可以使用传统的金属化或补充电线来将压电膜连接至电池。如果采用的话，这种特征通常会导致额外的制造步骤，并且还会增加整个结构的厚度。为了得到尽可能薄的设备，可期望增加柔性来能够在大范围的应用中使用该设备。

在任何上述示例性实施例中，实现了大量的优势。首先，可以开发能量存储的自然柔性形式来收集能量。具体地，由机械变形(诸如弯曲、敲击和/或按压)生成的能量可以被直接存储在电化学单元中。第二，可以增加能量转换效率，并且与独立的能量生成和存储系统相比可以减小电池的重量和尺寸。第三，传统的电池和超级电容器电极和分离器材料可应用于该设计，这可以使得制造简单且降低成本。此外，如果期望的话，可以使用传统的电池和超级电容器制造方法。

通过在一个单元中组合能量生成和能量存储功能，与包括层压到一起的独立单元的系统相比，本文的示例性实施例中描述的混合电源设备可以更加有效且可以得益于重量、总体积和厚度的减小。这种系统通过开发系统的诸如弯曲、振动、敲击等的任何机械变形来组合能量存储和能量收集。

本文公开的示例性实施例在各种范围和尺度上具有广泛的应用，并且可以结合到多种类型的设备中来有助于能量自主。例如，可以开发能量存储系统的柔性将机械变形转换为能量来用于电子设备的进一步充电。此外，由振动运动生成的能量可用于小型的低功率系统(诸如传感器/致动器和微机电系统)以及用于生物应用或远程感测或类似应用(其中电池再充电可以不同)。可以使用本文公开的能量存储系统的应用还包括但不限于服装、衣服、纸产品(例如，功能报纸)、便携式设备(例如，软便携式电子配件)、玩具等。其他可能的应用包括用作附接至皮肤的膏的形式的薄柔性能量自主传感器，诸如当电荷泵累积充分量的能量时(例如，每当用户移动并使他们的皮肤变形时)能够监控身体状况(诸如温度、血压、心跳速率等)的传感器，用于随后无线传输至移动设备。然而，本发明不限于此，机械变形提供压电效应并且能量可以被存储且随后被恢复的其他应用可以可能的。

在一个示例性实施例中，一种装置包括：分离器/电解质组件；第一能量存储部分，设置在分离器/电解质组件的第一表面上；第二能量存储部分，设置在分离器/电解质组件的第二表面上；第一金属化pvdf膜，设置在第一能量存储部分上；以及第二金属化pvdf膜，设置在第二能量存储部分上。二极管可以连接在第一和第二压电膜上的第一和第二外电极之间，以能够在多个变形/释放循环中沿着单一方向泵送电荷。当向第一金属化膜施加力时，生成压电场以引起分离器/电解质组件与每个能量存储部分之间的界面处的电荷分离，从而生成能量。

在该装置中，分离器/电解质组件可包括其中注入有液体电解质的聚合物结构。聚合物结构可包括聚丙烯，并且液体电解质可包括四氟硼酸盐。液体电解质可包括四乙铵四氟硼酸盐。第一能量存储部分和第二能量存储部分中的至少一个可包括活性碳。第一能量存储部分可包括第一活性碳层，并且第二能量存储部分可包括第二活性碳层。第一金属化压电膜和第二金属化压电膜均可包括pvdf层，在pvdf层的相对侧上沉积铝。第一能量存储部分可包括锂金属氧化物膜，并且第二能量存储部分可包括石墨层。第一金属化压电膜可包括在其相对侧上沉积有铝的pvdf层，以及第二金属化压电膜可包括在其相对侧上沉积有铜的pvdf层。该装置可进一步包括耦合至分离器/电解质组件、第一能量存储部分、第二能量存储部分、第一金属化压电膜和第二金属化压电膜中的至少一个的存储器、控制器和处理器。该装置可以包括电子设备，并且电子设备可以是手持移动设备、可佩戴设备、电话、相机、平板电脑、视频/音频设备、导航设备、游戏设备、消息传送设备、网络浏览器或它们的组合中的任何一个。

在另一示例性实施例中，一种方法包括：在装置中生成电压，该装置包括分离器/电解质组件、设置在分离器/电解质组件的第一表面上的第一能量存储部分、设置在分离器/电解质组件的第二表面上的第二能量存储部分、设置在第一能量存储部分上的第一金属化压电膜和设置在第二能量存储部分上的第二金属化压电膜，其中当向第一金属化压电膜施加力时，生成压电场以在分离器与每个能量存储部分的界面处引起电荷分离来生成能量；存储第一能量存储部分和第二能量存储部分中生成的能量；以及从第一能量存储部分和第二能量存储部分向电子设备释放所存储的能量。

该方法可进一步包括：经由具有至少处理器和存储器的控制器来控制所存储的能量的释放。可通过处理器来调节生成的电压的量。如果所存储的能量小于特定量，则限制被释放的能量的量。

在另一示例性方面中，一种用于操作混合电源设备的装置包括：用于在混合电源设备中生成电压的模块；用于存储在混合电源设备中生成的能量的模块；以及用于从用于存储能量的装置向电子设备释放所存储的能量的模块。用于操作混合电源设备的装置可以包括用于控制所存储的能量的释放的装置。

在另一示例性方面中，一种非暂态计算机可读存储介质，包括一个或多个指令的一个或多个序列，当被装置的一个或多个处理器执行时，使得该装置至少：在装置中生成电压，存储在装置中生成的能量；以及从装置向电子设备释放所存储的能量。

应该理解，前文的描述仅仅是示例性的。本领域技术人员可以得到各种修改和改变。例如，在各个从属权利要求中引用的特征可以在任何适当的组合中相互组合。此外，来自上述不同实施例的特征可以选择性地组合成新实施例。因此，说明书用于包括所有这些可选方式、修改和变化，它们均落入所附权利要求的范围。