自充电能量系统及其制备方法与流程

本发明属于纳米技术领域，特别涉及一种基于摩擦纳米发电机的自充电能量系统及其制备方法。

背景技术：

随着全球温室效应、酸雨和雾霾等环境问题越来越严重，已经迫使人们寻求更加清洁的可再生能源。目前，太阳能、风能、潮汐能等可再生能源正逐步取代传统的火力发电，然而，这些能源属于间歇式能源，难以进行持续性的能量供给，并且受周围环境和地域的限制，必须进行远距离输送电，由此产生成本增加和安全用电等问题。

技术实现要素：

鉴于上述技术问题，为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种自充电能量系统及其制备方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种自充电能量系统，包括摩擦纳米发电机、与所述摩擦纳米发电机电连接的整流桥、与所述整流桥电连接的超级电容器，还包括导电层，所述导电层同时用作所述摩擦纳米发电机的感应电极、所述整流桥的引脚焊接区或贴合区、所述超级电容器的微电极以及用于连接所述摩擦纳米发电机、所述整流桥、所述超级电容器的导电线路，且所述摩擦纳米发电机、所述整流桥及所述超级电容器集成于所述导电层而形成所述自充电能量系统。

根据一些实施方式，所述导电层包括纸基底、涂覆于所述纸基底上表面的含碳涂层及镀于所述含碳涂层上表面的金属层。

根据一些实施方式，所述摩擦纳米发电机包括第一感应电极、第二感应电极及摩擦层，所述第一感应电极及所述第二感应电极的结构与所述导电层的结构相同，所述摩擦层贴合于所述第一感应电极的上表面，所述第一感应电极及所述第二感应电极沿对称轴方向向内对折，形成上下对应的类“u”字形结构。

根据一些实施方式，所述整流桥的交流输入端连接所述摩擦纳米发电机，直流输出端连接所述超级电容器。

根据一些实施方式，所述纸基底的材料为印刷纸、牛皮纸、卡纸、铜版纸、相纸、硫酸纸、拷贝纸或teslin复合纸中的一种，形成所述含碳涂层的浆料为碳纳米管(cnt)、石墨烯浆料中的一种或其混合物，所述金属层为金、银、铜或者铝中的一种或其组合。

根据一些实施方式，所述摩擦层的材质选自于聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯这些材料中的一种或其组合。

根据一些实施方式，所述超级电容器为叉指型平面微型超级电容器、同心圆型结构或双螺旋形结构。

根据一些实施方式，所述超级电容器由微电极和凝胶电解质溶液组装而成，所述微电极采用所述导电层制成，所述凝胶电解质为pva/h2so4、pva/koh、pva/na2so4或pva/licl。

根据一些实施方式，所述导电线路的线宽设置为0.2至3mm。

根据本发明的另一方面，还提供了一种自充电能量系统的制备方法，包括以下步骤：制备导电层；根据自充电能量系统的整体布局及各组成元件结构激光刻蚀导电层而制成所需要的图案；制作并组装形成自充电能量系统。

本发明的自充电能量系统的有益效果为：

1、实现了机械能的采集和存储于一体，具有结构简单、稳定性高的特点，可以为小型可穿戴电子设备提供持续的能量供给。

2、导电层可以同时用作摩擦纳米发电机的感应电极、整流桥的引脚焊接区或贴合区、超级电容器的微电极以及用于连接摩擦纳米发电机、整流桥、超级电容器的导电线路，实现了“一材多用”，并且整个自充电能量系统不需要任何外接导线，集成度高。

3、摩擦纳米发电机、整流桥、超级电容器等功能元器件和导电线路均共用一个纸基底，具有柔性、轻质以及可降解的优点，贴片元件可循环回收利用。

4、采用激光刻蚀法进行图案化，纸基底损伤程度较低，工艺简单高效，便于大规模生产，并且生产过程绿色安全，不产生有毒气体或污染物。

附图说明

图1为本发明实施例的自充电能量系统的电路结构示意图；

图2为本发明实施例的自充电能量系统的导电层的结构示意图；

图3为本发明实施例的自充电能量系统的摩擦纳米发电机的结构示意图；

图4为本发明实施例的自充电能量系统的整体布局结构示意图；

图5为本发明实施例的自充电能量系统的摩擦纳米发电机的电流-时间曲线；

图6为本发明实施例的自充电能量系统的摩擦纳米发电机的电压-时间曲线；

图7为本发明实施例的自充电能量系统的超级电容器的循环伏安曲线；

图8为本发明实施例的自充电能量系统的摩擦纳米发电机为超级电容器充电的电压-时间曲线；

图9为本发明实施例的自充电能量系统的制备方法流程图。

具体实施方式

本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种自充电能量系统100。本发明实施例的自充电能量系统100包括摩擦纳米发电机10、与摩擦纳米发电机10电连接的整流桥20、与整流桥20电连接的超级电容器30。

如图2所示，本发明实施例的自充电能量系统100还包括导电层40。导电层40包括纸基底42、涂覆于纸基底42上表面的含碳涂层44及镀于含碳涂层44上表面的金属层46。其中，纸基底42的材料为印刷纸、牛皮纸、卡纸、铜版纸、相纸、硫酸纸、拷贝纸或teslin复合纸中的一种；形成含碳涂层44的浆料为碳纳米管(cnt)、石墨烯浆料中的一种或其混合物；金属层46为金、银、铜或者铝等材料的一种或其组合。本实施例中，导电层40可以同时用作摩擦纳米发电机10的感应电极、整流桥20的引脚焊接区或贴合区、超级电容器30的微电极以及用于连接摩擦纳米发电机10、整流桥20、超级电容器30的导电线路，即摩擦纳米发电机10、整流桥20、超级电容器30集成于导电层40而形成自充电能量系统100。

如图3所示，摩擦纳米发电机10包括第一感应电极12、第二感应电极14及摩擦层16。第一感应电极12及第二感应电极14的结构与导电层40相同，即导电层40用作摩擦纳米发电机10的第一感应电极12及第二感应电极14。将摩擦层16贴合于第一感应电极12的上表面，然后将第一感应电极12及第二感应电极14沿对称轴方向向内对折，形成上下对应的类“u”字形结构，从而形成摩擦纳米发电机10的整体结构。其中，摩擦层16的材质选自于聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯这些材料中的一种或其组合。摩擦纳米发电机10可通过垂直接触-分离过程或水平滑动过程中，利用接触起电和静电感应的耦合效应，将低频的机械能持续转换为电能。关于摩擦纳米发电机的发电原理为本领域较为常规的技术，在此不再赘述。

如图1所示，整流桥20的交流输入端连接摩擦纳米发电机10，直流输出端连接超级电容器30。整流桥20用于将摩擦纳米发电机10输出的交流电信号转化为直流电信号，并将直流电信号输出给超级电容器30。

如图1所示，本实施例中，超级电容器30具体为叉指型平面微型超级电容器。超级电容器30由微电极和凝胶电解质溶液组装而成。超级电容器的也可以为其他结构，例如同心圆型结构或双螺旋形结构。超级电容器30的微电极采用导电层40制成。本实施例中，凝胶电解质为pva/h2s04。可以理解，凝胶电解质也可以为pva/koh、pva/na2so4、pva/licl。

如图4所示，根据本发明实施例的自充电能量系统100的整体布局，首先，利用coreldraw软件绘制出所需要设计的图案，包括摩擦纳米发电机10的第一感应电极12及第二感应电极14、超级电容器30的微电极、整流桥20的引脚焊接区或贴合区以及导电线路50，其中，导电线路50的线宽设置为0.2至3mm。然后，根据所绘制出的图案将导电层40进行激光刻蚀而制成所需要的图案。最后，制作并组装完成摩擦纳米发电机10、整流桥20、超级电容器30，并分别与导电线路50连接，以形成本发明实施例的自充电能量系统100。本发明实施例的自充电能量系统100的摩擦纳米发电机10的电流-时间曲线和电压-时间曲线分别如图5、图6所示，其中，短路电流约为73μa，开路电压可达800v，表现出优异的电荷输出特性。本发明实施例的自充电能量系统100的超级电容器30的循环伏安曲线如图7所示，在不同扫描速率下均为较规整的类矩形形状，表现出典型的双电层电容储能特性，并且随着扫描速率的成倍增大，所围成曲线的面积也相应地成倍增加，表明所制备的超级电容器30具有优异的倍率性能。本发明实施例的自充电能量系统100的摩擦纳米发电机10在3hz频率下为4个串联的超级电容器30充电的电压-时间曲线如图8所示，摩擦纳米发电机10可在300s内将4个串联的超级电容器30从0v充电至3.2v，表明所制备的自充电能量系统100具有优异的机械能-电能转化功能，实现了机械能的采集和存储于一体，具有较好的实用价值。

本发明实施例的自充电能量系统100的有益效果为：

1、实现了机械能的采集和存储于一体，具有结构简单、稳定性高的特点，可以为小型可穿戴电子设备提供持续的能量供给。

2、导电层40可以同时用作摩擦纳米发电机10的感应电极、整流桥20的引脚焊接区或贴合区、超级电容器30的微电极以及用于连接摩擦纳米发电机10、整流桥20、超级电容器30的导电线路50，实现了“一材多用”，并且整个自充电能量系统100不需要任何外接导线，集成度高。

3、摩擦纳米发电机10、整流桥20、超级电容器30等功能元器件和导电线路50均共用一个纸基底42，具有柔性、轻质以及可降解的优点，贴片元件可循环回收利用。

4、采用激光刻蚀法进行图案化，纸基底42损伤程度较低，工艺简单高效，便于大规模生产，并且生产过程绿色安全，不产生有毒气体或污染物。

如图9所示，本发明实施例的自充电能量系统100的制备方法包括如下步骤：

步骤一，制备导电层；

本步骤中，首先通过刮涂法将碳纳米管(cnt)浆料均匀涂覆在纸基底42表面，并在烘箱中60～90℃干燥0.5～4h形成含碳涂层44；然后在含碳涂层44的表面磁控溅射一层au，以制备完成碳-金属复合的导电层40。可以理解，也可以通过喷涂法或旋涂法将碳纳米管(cnt)浆料均匀涂覆在纸基底42表面。磁控溅射功率设置为100w，时间为400s。可以理解，也可以采用真空蒸镀的方法于含碳涂层44的表面镀一层au。

步骤二，根据自充电能量系统的整体布局及各组成元件结构激光刻蚀导电层而制成所需要的图案；

本步骤中，根据本发明实施例的自充电能量系统100的整体布局，首先，利用coreldraw软件绘制出所需要设计的图案，包括摩擦纳米发电机10的第一感应电极12及第二感应电极14、超级电容器30的微电极、整流桥20的引脚焊接区或贴合区以及导电线路50，其中，摩擦纳米发电机10的第一感应电极12及第二感应电极14均为4*4cm²，用于超级电容器30的叉指型电极共7对，宽度为0.4mm，长度为10mm，4个超级电容器30为串联连接，整流桥20为4个引脚区以便于焊接或贴合，导电线路50的宽度为1mm；然后，激光刻蚀导电层40而制成所需要的图案，其中，激光源距离纸基底42表面为2～6mm，功率设置为60％～95％，速度为70％～90％。

步骤三，制作并组装形成自充电能量系统。

首先，将50μm厚的fep(氟化乙烯丙烯共聚物)膜作为摩擦层16，紧密贴合于第一感应电极12的上表面，然后将第一感应电极12及第二感应电极14沿对称轴方向向内对折，形成上下对应的类“u”字形结构，从而制作形成摩擦纳米发电机10的整体结构；其次，将pva/h2so4凝胶电解质滴加在叉指型电极上，室温下放置30min，以上过程重复3次，然后在烘箱中60℃干燥12h，去除多余水分，从而完成超级电容器30的制作；然后，用导电银浆将整流桥20固定于纸基底42表面的引脚焊接区或贴合区；最后，通过导电线路50将摩擦纳米发电机10、整流桥20、超级电容器30连接而形成自充电能量系统100。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。