一种纳米发电机、制备方法及应用与流程

本发明涉及微纳能源发电，尤其涉及一种纳米发电机、制备方法及应用。

背景技术：

1、摩擦电是自然界中常见的现象，通过物体和物体之间的相互摩擦，使得一物体带上正电，另一物体带上负电，例如穿脱衣服产生的静电、梳子梳理头发产生的静电等。然而，由于缺少收集和利用摩擦电的设备/器械/仪器等，导致摩擦电被浪费。

2、为了解决上述问题，科研人员研发了一种摩擦发电机，可以利用摩擦进行发电，即把微小的机械能转化为电能。常见的摩擦发电机为透明的柔性摩擦发电机，使用柔性高分子聚合物材料。

3、然而，这种摩擦发电机存在一些缺陷，如运行条件苛刻，需要在均匀机械外力/振动下工作；如在不均匀机械外力/振动下长时间作用，容易出现机械损伤；抗疲劳性较差，无法长时间使用；生物相容性差，难以作为植入材料进行植入。

4、随着科技的发展，电子产品如智能手机，智能手表，智能手环等呈现小型化、多功能、可移动、可穿戴的发展趋势。由于这类产品应用场景多，需求大，能量消耗小的特点，依赖传统电池供电方式限制了它们的进一步应用，因此迫切需要开发可为小型电子设备持续性供电的新型电源，同时解决传统供电方式可能带来的环境污染、续航限制、潜在健康危害等问题。

5、纳米发电机作为一种新兴的发电技术，由于其绿色，可持续将机械能转化为电能获得了越来越多的关注和应用。其主要分为摩擦纳米发电机和压电纳米发电机。摩擦纳米发电机的机理来源于摩擦电效应，即两种摩擦电极性不同的材料相接触时，会产生电荷转移及电势差，电荷会在电势差的驱动下在两电极之间往复流动，从而形成电流。压电纳米发电机是利用弯曲、压缩具有压电性能特殊纳米材料产生电流的原理制造而成。

6、目前绝大多数纳米发电机是以单一的产电形式制备而成，存在发电效率低，稳定性差和抗疲劳性能差的缺陷，且不具备较好的生物相容性，限制了其应用。

7、目前，针对相关技术中存在的发电效率低、稳定性差、抗疲劳性差、生物相容性差等问题，尚未提出有效的解决方案。

技术实现思路

1、本技术的目的是针对现有技术中的不足，提供一种纳米发电机、制备方法及应用，以至少解决相关技术中的发电效率低、稳定性差、抗疲劳性差、生物相容性差的问题。

2、为实现上述目的，本技术采取的技术方案是：

3、第一方面，本发明提供一种纳米发电机，包括：

4、压电层，所述压电层包括聚偏二氟乙烯压电膜、银电极、聚酰亚胺膜；

5、摩擦层，所述摩擦层设置于所述压电层的一侧，并与所述压电层产生电荷转移，所述摩擦层包括等离子体蚀刻表面活化后的聚四氟乙烯膜；

6、封装层，所述封装层分别覆盖所述压电层的外表面、所述摩擦层的外表面，所述封装层包括特氟龙膜、聚二甲基硅氧烷膜。

7、在其中的一些实施例中，所述压电层包括：

8、聚偏二氟乙烯压电膜；

9、银电极，所述银电极覆盖所述聚偏二氟乙烯压电膜的表面设置，并形成银/聚偏二氟乙烯压电膜/银结构；

10、聚酰亚胺膜，所述聚酰亚胺膜覆盖所述聚偏二氟乙烯压电膜的一侧表面设置，并形成银/聚偏二氟乙烯压电膜/银/聚酰亚胺膜结构。

11、在其中的一些实施例中，所述摩擦层包括：

12、聚四氟乙烯膜，所述聚四氟乙烯膜覆盖所述压电层的一侧表面设置，所述聚四氟乙烯膜由等离子体蚀刻表面活化；

13、铝电极，所述铝电极覆盖所述聚四氟乙烯膜的外表面设置，并形成聚四氟乙烯膜/铝电极结构；

14、聚酰亚胺膜，所述聚酰亚胺膜覆盖所述铝电极的外表面设置，并形成聚四氟乙烯膜/铝电极/聚酰亚胺膜结构。

15、在其中的一些实施例中，所述封装层包括：

16、特氟龙膜，所述特氟龙膜覆盖所述压电层的外表面、所述摩擦层的外表面设置，并形成特氟龙膜/压电层/摩擦层/特氟龙膜结构；

17、聚二甲基硅氧烷膜，所述聚二甲基硅氧烷膜覆盖所述特氟龙膜的外表面设置，并形成聚二甲基硅氧烷/特氟龙膜/压电层/摩擦层/特氟龙膜/聚二甲基硅氧烷结构。

18、在其中的一些实施例中，银/聚偏二氟乙烯压电膜/银结构的厚度为100μm。

19、在其中的一些实施例中，在所述压电层中，聚酰亚胺膜的厚度为100μm。

20、在其中的一些实施例中，还包括：

21、绝缘层，所述绝缘层设置于所述摩擦层的两端，并分别与所述摩擦层、所述压电层连接，所述绝缘层包括丙烯酸膜。

22、在其中的一些实施例中，所述摩擦层为若干个，相邻两所述摩擦层之间设置所述绝缘层。

23、在其中的一些实施例中，所述绝缘层包括：

24、两丙烯酸膜，两所述丙烯酸膜对称地设置于所述摩擦层的两端，每一所述丙烯酸膜分别与所述摩擦层、所述压电层连接。

25、在其中的一些实施例中，所述丙烯酸膜的厚度为0.8mm。

26、第二方面，提供一种纳米发电机的制备方法，包括：

27、(制备压电层)

28、在聚偏二氟乙烯压电膜的外表面喷涂银电极，形成银/聚偏二氟乙烯压电膜/银结构；

29、将所述银/聚偏二氟乙烯压电膜/银结构与聚酰亚胺膜复合，形成银/聚偏二氟乙烯压电膜/银/聚酰亚胺膜结构；

30、(制备摩擦层)

31、对聚四氟乙烯膜进行等离子体蚀刻表面活化，以获得具有纳米结构的聚四氟乙烯膜；

32、将所述聚四氟乙烯膜、铝电极、聚酰亚胺膜复合，形成聚四氟乙烯膜/铝电极/聚酰亚胺膜结构；

33、(封装)

34、将所述银/聚偏二氟乙烯压电膜/银/聚酰亚胺膜结构与所述聚四氟乙烯膜/铝电极/聚酰亚胺膜结构复合，形成聚酰亚胺膜/铝电极/聚四氟乙烯膜/银/聚偏二氟乙烯压电膜/银/聚酰亚胺膜结构；

35、将所述聚酰亚胺膜/铝电极/聚四氟乙烯膜//聚偏二氟乙烯压电膜/银/聚酰亚胺膜/聚四氟乙烯膜结构与特氟龙膜复合，形成特氟龙膜/聚酰亚胺膜/铝电极/聚四氟乙烯膜/银/聚偏二氟乙烯压电膜/银/聚酰亚胺膜/特氟龙膜结构；

36、将所述特氟龙膜/聚酰亚胺膜/铝电极/聚四氟乙烯膜/银/聚偏二氟乙烯压电膜/银/聚酰亚胺膜/特氟龙膜结构与聚二甲基硅氧烷膜复合，形成聚二甲基硅氧烷/特氟龙膜/聚酰亚胺膜/铝电极/聚四氟乙烯膜/银/聚偏二氟乙烯压电膜/银/聚酰亚胺膜/特氟龙膜/聚二甲基硅氧烷结构，以获得纳米发电机。

37、在其中的一些实施例中，所述银/聚偏二氟乙烯压电膜/银结构的厚度为100μm。

38、在其中的一些实施例中，在制备所述压电层中，所述聚酰亚胺膜的厚度为100μm。

39、在其中的一些实施例中，还包括：

40、(制备绝缘层)

41、在所述聚四氟乙烯膜/铝电极/聚酰亚胺膜结构的两端分别设置丙烯酸膜，形成丙烯酸膜/聚四氟乙烯膜/铝电极/聚酰亚胺膜结构；

42、其中，(封装)还包括：

43、将所述银/聚偏二氟乙烯压电膜/银/聚酰亚胺膜结构与所述丙烯酸膜/聚四氟乙烯膜/铝电极/聚酰亚胺膜结构复合，形成聚酰亚胺膜/铝电极/聚四氟乙烯膜/丙烯酸膜/银/聚偏二氟乙烯压电膜/银/聚酰亚胺膜结构。

44、在其中的一些实施例中，所述丙烯酸膜的厚度为0.8mm。

45、第三方面，提供一种如第一方面所述的纳米发电机或如第二方面所述的制备方法得到的纳米发电机在制备生物植入材料中的应用。

46、相比于相关技术，本技术实施例提供的一种纳米发电机、制备方法及应用，利用摩擦电效应、压电效应的耦合实现了稳定的直流电流输出，从而可以为各种电子设备提供可再生的电能，克服了已有外接电源储存容量有限且存在污染环境的问题；制备方法简单，便于进行批量生产；性能优异且抗疲劳，不易在外力或振动的作用下出现机械损伤，从而衍生工作寿命；生物相容性好，可以作为植入材料进行植入。