一种液态金属摩擦纳米发电鞋垫及其制备方法

1.本发明涉及摩擦纳米发电技术领域，具体涉及一种液态金属摩擦纳米发电鞋垫及其制备方法。


背景技术：

2.摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator，teng)是基于自驱动纳米技术并以接触/摩擦起电和静电感应为基础的微/纳机电动力系统，依靠摩擦或挤压便可产生电能。它具有成本低、材料选择多样、不需预充电等特点，具有较高功率输出和高达 55%的能量。利用微米
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纳米技术可以将这些无处不有、无时不在的能量转换为可以驱动小型可移动电子器件的电能，进而制造出自驱动（self
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powered）微纳系统。这种快捷便利获取电能方式成为了新时代新能源研究方向，例如太阳能、生物能、震动能、肌肉活动能、形变能、化学能、微风能和热能等。
3.人体每天必不可少的运动即为走路，而走路过程中产生的机械能可以有效利用转化为电能。现在已经有相应的技术以液态金属作为电极材料，收集人体运动摩擦产生的机械能转化为电能，如cn106992707a中是液态金属注入到有机硅橡胶腔体中，形成单电机模式的纳米发电机，通过硅橡胶与皮肤接触发生摩擦，产生电荷，诱导液态金属发生电荷流动。但是若应用于鞋垫利用人在走路过程中，通过摩擦产生动能进行发电时，由于人体不能直接与摩擦层接触，因而导致机械能很难有效收集，且由于脚底作用力大且不均匀，不同位置产生的机械能大小不一，多个摩擦纳米发电机单元纵横交错编织的并联结构中产生的电荷流动均匀性较差，起不到增大输出电流的作用，不仅造成发摩擦纳米发电机单元浪费，且不均匀的电流输出会导致输出电能的稳定性差，对于储能器的使用寿命产生负面影响。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种液态金属摩擦纳米发电鞋垫。该发电鞋垫具有高输出电压和短路电流，电荷流通稳定性优异。
5.本发明另一目的是提供上述液态金属摩擦纳米发电鞋垫的制备方法。
6.本发明目的通过如下技术方案实现：一种液态金属摩擦纳米发电鞋垫，其特征在于：鞋垫内设置有摩擦纳米发电装置，所述摩擦纳米发电装置为多层复合结构，由下至上依次为纸板、铝箔或铜箔、两个以上的液态金属纳米发电纤维编织的液态金属摩擦纳米发电结构并列组成的液态金属层、尼龙布、铝箔或铜箔和纸板组成，所述尼龙布将其表面的铝箔或铜箔及硬纸板包覆并固定，所述液态金属纳米发电纤维是由液态金属、环氧树脂ab胶、硅胶管和导电铜丝组成，其中液态金属充满硅胶管内部，环氧树脂ab胶在硅胶管的两端进行密封，管口有铜线引出。
7.进一步，所述纳米发电纤维中硅胶管的直径为1~1.6mm，硅胶管内部液态金属直径500~600μm，所述编织是由每两根所述纳米发电纤维进行交叉编织。
8.液态金属摩擦纳米发电的性能与摩擦面积、施加的摩擦力大小、均匀性、频率有
关，同时也与液态金属摩擦纳米发电装置的结构密切相关。本发明中通过将液态金属加入到特定内外直径的硅胶管中，通过硅胶管与尼龙材料产生摩擦，并在上下两层的铜箔或铝箔作用下，显著提高摩擦面产生的电荷量，并均匀化电荷分布，产生稳定且较高的电流、电压，液态金属摩擦纳米发电纤维通过特定的交叉编织结构，为较大的电流提供流通路径，并确保每条硅胶管中的液态金属承载的流动电荷量均匀，最终的输出电压和短路电流稳定性优异，减少不稳定的电流的对储能器的损伤。
9.所述交叉编织的液态金属层置于鞋垫前脚掌位置和脚后跟位置。
10.上述液态金属摩擦纳米发电鞋垫的制备方法，其特征在于：包括液态金属摩擦纳米发电装置的制备，具体包括液态金属摩擦层和尼龙摩擦层的制备，所述液态金属摩擦层的制备是以ga（镓）和in（铟）混合制备液态金属，将液态金属充入硅胶管内，两端插入铜丝与液态金属接触，铜丝引出于硅胶管外，以环氧树脂ab胶在硅胶管两端进行密封，固化后得液态金属摩擦纳米发电纤维，将两根液态金属摩擦纳米发电纤维进行交叉编织，形成独立的液态金属摩擦纳米发电结构，然后将两个以上的液态金属摩擦纳米发电结构单体并列，形成液态金属层。
11.所述交叉编织是将两根液态金属摩擦纳米发电纤维相互垂直放置，底层的液态金属摩擦纳米发电纤维进行交叉，然后上层的液态金属摩擦纳米发电纤维在底层交叉形成的交叉点上方进行交叉，重复该过程，形成较差编织液态金属摩擦纳米发电结构。
12.进一步，上述制备液态金属是将ga在60~70℃下水浴20~30min，然后加入固体in，在60℃下水浴30~40min，水浴过程中进行磁力搅拌。
13.进一步，上述ga和in的质量比为3:1。
14.进一步，上述环氧树脂ab胶是按照a、b胶的体积比为2:1进行搅拌混合，在硅胶管两端进行密封，固化4~5h。
15.所述尼龙摩擦层的制备是取一层贴了铜箔或铝箔的硬纸板，套上一层尼龙布，并将边缘进行粘结固定，将贴有铜箔或铝箔一面朝下与液态金属层接触，作为尼龙摩擦层。
16.最具体的，一种液态金属摩擦纳米发电鞋垫的制备方法，其特征在于，包括液态金属摩擦纳米发电装置的制备，具体按如下步骤进行：s1、液态金属的制备将ga在60~70℃下水浴20~30min，然后加入固体in，继续在60℃下水浴30~40min，水浴过程中进行磁力搅拌，ga和in的质量比为3:1；s2、液态金属摩擦纳米发电结构的制备：将液态金属充满硅胶管内，两端插入铜丝与液态金属接触，铜丝引出于硅胶管外，以环氧树脂ab胶在硅胶管两端进行密封，固化后得液态金属摩擦纳米发电纤维，所述硅胶管外径为1~1.6mm，内径为500~600μm，环氧树脂ab胶是按照a、b胶的体积比为2:1进行搅拌混合，在硅胶管两端进行密封，固化4~5h，形成液态金属摩擦纳米发电纤维；将两根液态金属摩擦纳米发电纤维进行交叉编织，形成独立的液态金属摩擦纳米发电结构；s3、形成多层结构以硬纸板作为基底，基底表面贴一层铜箔或铝箔，然后将两个以上的液态金属摩擦纳米发电结构单体并列置于铜箔或铝箔表面，形成液态金属层，再取一层贴了铜箔或铝
箔的硬纸板，套上一层尼龙布，并将边缘进行固定，作为尼龙摩擦层，将贴有铜箔或铝箔一面朝下与液态金属层接触。
17.本发明具有如下技术效果：本发明制备的液态金属摩擦纳米发电鞋垫具有优异的开路电压达到64v、短路电流达到1.23a，产生的电压和电流稳定性优异，无需与人体皮肤接触摩擦；其制备成本较低，一双鞋垫的成本仅20元以内，且在不失去鞋垫基本性能的情况下还具有发电的功能，极大的为生活带来了便利。
附图说明
18.图1：本发明制备的液态金属纳米发电装置的层状结构及液态金属纳米发电纤维结构示意图。
19.图2：本发明液态金属纳米发电纤维的实物图。
20.图3：本发明制备的液态金属纳米发电纤维不同的编织实物图。
21.图4：液态金属纳米发电纤维不同编织方式的电性能检测曲线图。
22.图5：本发明制备的液态金属摩擦纳米发电鞋垫的电性能检测曲线图。
23.图6：采用纵横交错编织成网的结构制备的液态金属摩擦纳米发电鞋垫的电性能检测曲线图。
具体实施方式
24.下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述本发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
25.实施例1一种液态金属摩擦纳米发电鞋垫的制备方法，包括液态金属纳米发电装置的制备，按如下步骤进行：s1、液态金属的制备将ga在70℃下水浴20min，然后加入固体in，继续在60℃下水浴30min，水浴过程中进行磁力搅拌，ga和in的质量比为3:1；s2、液态金属摩擦纳米发电结构的制备：将液态金属充满硅胶管内，两端插入铜丝与液态金属接触，铜丝引出于硅胶管外，以环氧树脂ab胶在硅胶管两端进行密封，固化后得液态金属摩擦纳米发电纤维，所述硅胶管外径为1.6mm，内径为600μm，环氧树脂ab胶是按照a、b胶的体积比为2:1进行搅拌混合，在硅胶管两端进行密封，固化4h，形成液态金属摩擦纳米发电纤维；将两根液态金属摩擦纳米发电纤维进行交叉编织，形成独立的液态金属摩擦纳米发电结构；s3、形成多层结构以硬纸板作为基底，基底表面贴一层铝箔，然后将两个液态金属摩擦纳米发电结构单体并列置于铝箔表面对应前脚掌位置，另取两个液态金属摩擦纳米发电结构单体并列置于铝箔表面对应脚后跟位置，形成液态金属层，再取一层贴了铝箔的硬纸板，套上一层尼
龙布，并将边缘进行固定，作为尼龙摩擦层，将贴有铝箔一面朝下与液态金属层接触。
26.实施例2一种液态金属摩擦纳米发电鞋垫的制备方法，包括液态金属摩擦纳米发电装置的制备，按如下步骤进行：s1、液态金属的制备将ga在65℃下水浴25min，然后加入固体in，继续在相同温度下水浴35min，水浴过程中进行磁力搅拌，ga和in的质量比为3:1；s2、液态金属摩擦纳米发电结构的制备：将液态金属充满硅胶管内，两端插入铜丝与液态金属接触，铜丝引出于硅胶管外，以环氧树脂ab胶在硅胶管两端进行密封，固化后得液态金属摩擦纳米发电纤维，所述硅胶管外径为1.2mm，内径为500μm，环氧树脂ab胶是按照a、b胶的体积比为2:1进行搅拌混合，在硅胶管两端进行密封，固化4.5h，形成液态金属摩擦纳米发电纤维；将两根液态金属摩擦纳米发电纤维进行交叉编织，形成独立的液态金属摩擦纳米发电结构；s3、形成多层结构以硬纸板作为基底，基底表面贴一层铝箔，然后将两个液态金属摩擦纳米发电结构单体并列置于铝箔表面对应前脚掌位置，另取两个液态金属摩擦纳米发电结构单体并列置于铝箔表面对应脚后跟位置，形成液态金属层，再取一层贴了铝箔的硬纸板，套上一层尼龙布，并将边缘进行固定，作为尼龙摩擦层，将贴有铜箔或铝箔一面朝下与液态金属层接触。
27.实施例3一种液态金属摩擦纳米发电鞋垫的制备方法，包括液态金属摩擦纳米发电装置的制备，按如下步骤进行：s1、液态金属的制备将ga在60℃下水浴30min，然后加入固体in，在60℃下水浴40min，水浴过程中进行磁力搅拌，ga和in的质量比为3:1；s2、液态金属摩擦纳米发电结构的制备：将液态金属充满硅胶管内，两端插入铜丝与液态金属接触，铜丝引出于硅胶管外，以环氧树脂ab胶在硅胶管两端进行密封，固化后得液态金属摩擦纳米发电纤维，所述硅胶管外径为1mm，内径为500μm，环氧树脂ab胶是按照a、b胶的体积比为2:1进行搅拌混合，在硅胶管两端进行密封，固化5h，形成液态金属摩擦纳米发电纤维；将两根液态金属摩擦纳米发电纤维进行交叉编织，形成独立的液态金属摩擦纳米发电结构；s3、形成多层结构以硬纸板作为基底，基底表面贴一层铜箔，然后将两个液态金属摩擦纳米发电结构单体并列置于铝箔表面对应前脚掌位置，另取两个液态金属摩擦纳米发电结构单体并列置于铝箔表面对应脚后跟位置，形成液态金属层，再取一层贴了铜箔的硬纸板，套上一层尼龙布，并将边缘进行固定，作为尼龙摩擦层，将贴有铜箔一面朝下与液态金属层接触。
28.实施例4
对于不同编织状的液态金属摩擦纳米发电结构的发电性能测试：将本发明实施例3制备的单个液态金属摩擦纳米发电结构如图3中（a）所示，计作发电结构（a），将本发明实施例3制备的液态金属摩擦纳米发电纤维纵横交错编织成网状结构，如图3中（b）所示，计作发电结构（b），将本发明实施例3制备的液态金属摩擦纳米发电纤维编织成螺旋结构，如图3中（c）所示，计作发电结构（c）。
29.对上述3个液态金属摩擦纳米发电结构进行电学性能测试：在相同的摩擦环境下，检测结果为发电结构（a）的最大输出电压为142.9mv，短路电流为0.81a，如图4（a）和图4（b）所示；发电结构（b）的最大输出电压为114.2mv，短路电流为0.32a，如图4（c）和图4（d）所示；发电结构（c）的最大输出电压为92.9mv，短路电流达到1.06a，如图4（e）和图4（f）所示。
30.实施例5将本发明制备的摩擦纳米发电装置计作摩擦纳米发电装置（a），将发电结构（b）按照本发明的鞋垫中摩擦纳米发电装置叠加制备，分别计作摩擦纳米发电装置（b），分别置于鞋垫中，由于螺旋结构的发电结构置于鞋垫中，平整性不好，舒适性极差，因此我们没有采用螺旋结构进行测试。
31.将上述摩擦纳米发电装置制备成鞋垫成品，用体重为65kg、走路速度为4~5km/h，每步的步距约为60~70cm下检测其电学性能测试，最终结果表明，本发明制备的鞋垫成品中产生的最大输出电压约为150v，短路电流为1.23a，在该过程中，电压和电流稳定性较好，保持稳定的输出，如图5所示。如图6所示，采用摩擦纳米发电装置（b）制备的鞋垫成品中产生的最大输出电压约为140v，短路电流约为0.56a，而且可以明显看出，其输出电压和短路电流都呈现出巨大的起伏，输出稳定性极差，这会造成储能器的使用寿命降低。
32.液态金属摩擦纳米发电纤维，其纤维的最大输出电压仅为毫伏级别。制备的液态金属摩擦纳米发电装置较整体的一块液态金属摩擦纳米发电装置而言，可有效增加摩擦面积，有效促进液态金属摩擦纳米发电结构的输出性能。增加面积后，再以尼龙作为摩擦材料，并将尼龙和液态金属层没有接触的另外两边与铜箔或铝箔接触，并通过不同的编织方式可得到稳定的输出电压、短路电流，提升液态金属摩擦纳米发电结构的输出性能。输出电压达可到伏级别，达成了液态金属摩擦纳米发电器件的输出性能有效提高。
33.该液态金属摩擦纳米发电装置可以和无线充电相结合，未来可期，为电子设备进行储能。且装置适用范围不仅可以用于鞋垫，还可添加在衣物、车辆轮胎等容易受到摩擦力、压力的器件之上，大量普及可缓解能源问题。