CN102710166B

CN102710166B - 一种摩擦发电机

Info

Publication number: CN102710166B
Application number: CN201210160542.6A
Authority: CN
Inventors: 王中林; 范凤茹; 林龙; 朱光
Original assignee: Nano New Energy Tangshan Co Ltd
Current assignee: Nano New Energy Tangshan Co Ltd
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2012-05-22
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2032-05-22
Also published as: CN102710166A

Abstract

本发明提供一种摩擦发电机，包括第一电极、第二电极和居间薄膜，第一电极包括一侧表面设置有导电薄膜的第一高分子聚合物绝缘层；第二电极包括一侧表面设置有导电薄膜的第二高分子聚合物绝缘层，另一侧表面固定有居间薄膜，居间薄膜非固定面设有微纳凹凸结构；在第二电极上居间薄膜微纳凹凸结构的表面与第一电极未设置导电薄膜的表面正对贴合而相互固定连接；第一高分子聚合物绝缘层的导电薄膜与第二高分子聚合物绝缘层上的导电薄膜均为摩擦发电机的电压和电流输出电极。本发明提供了一种利用摩擦作用获得能量的革新而有效的方法，依靠内部摩擦起电电势的变化以及两侧金属极板的诱导效应产生电能，它是一种简单、高效和低成本的方法。

Description

一种摩擦发电机

技术领域

本发明涉及一种发电装置，尤其是涉及一种微型摩擦发电装置。

背景技术

采用纳米技术的能量收集和转换装置，由于其独特的自发电和自驱动性质，很可能在制造和驱动自供电纳米器件和纳米系统装置中起到关键性的作用，最近受到了各国研究人员越来越多的关注。2006年，美国佐治亚理工学院王中林教授研究组首次成功实现了利用氧化锌纳米线将机械能转化成电能的压电式纳米发电机。随后，以压电效应为基础，基于不同材料和结构的各种纳米发电机被相继研制出来。目前，纳米发电机的输出功率足以驱动商用发光二极管(LED)、小型液晶显示器、甚至自供电无线数据传送设备。功率密度也已经达到了1-10mW/cm³。

通常来讲，发电机是一种可以生成电荷，将正负电荷分开，并用电势产生的电荷驱动自由电子流的方法，它可以以电磁、压电、热电、甚至静电效应为基础。纳米发电机依靠氧化锌纳米线所生成的压电电势实现了发电。另一方面，摩擦电和静电现象是一种非常普遍的现象，存在于我们日常生活中各个层面，从走路到开车等等。由于它很难被收集和利用，往往是被人们所忽略的一种能源形式。如果我们可以通过一种新的方法收集摩擦产生的电能或者利用该方法将日常生活中不规则的动能转成可以利用的电能，将对我们的日常生活产生重要影响。截止到目前为止，静电微型发电机已被研制成功，并且在微机电(MEMS)领域得到广泛应用。但是微型静电发电机的设计主要以无机硅材料为基础，并且器件的制造需要复杂的工艺和精密的操作。整个装置的制备需要大型的仪器设备和特殊的生产条件，造价成本过高，不利于发电机的商业化和日常应用。申请号为200910080638.X的中国发明专利文献公开了一种旋转摩擦发电机，该发电机利用摩擦生电现象来发电，外壳内壁的定子摩擦材料与转子轴筒外壁的转子摩擦材料紧密接触，通过旋转转子轴筒，使定子摩擦材料与转子摩擦材料间旋转摩擦，产生电流，并由转子输出端输出。但是该旋转摩擦发电机需要特定的机械能带动，不能用于收集和转换不规则的动能，如人体肌肉部分的运动及无序的风能等，并且该装置发电效率不高。

发明内容

本发明为解决现有技术中存在的问题而提供了一种应用环境更广、发电效率更高的摩擦发电机。

本发明提供了一种摩擦发电机，包括第一电极、第二电极和居间薄膜，所述第一电极包括一侧表面设置有导电薄膜的第一高分子聚合物绝缘层；所述第二电极包括一侧表面设置有导电薄膜的第二高分子聚合物绝缘层；所述居间薄膜为第三高分子聚合物绝缘层，且其一侧表面设有微纳凹凸结构，所述居间薄膜未设置微纳凹凸结构的表面固定在未设置导电薄膜的第二高分子聚合物绝缘层的表面上，与第二电极形成一体；在所述第二电极上所述居间薄膜微纳凹凸结构的表面与第一电极未设置导电薄膜的表面正对贴合而相互固定连接；所述第一高分子聚合物绝缘层的导电薄膜与第二高分子聚合物绝缘层上的导电薄膜为摩擦发电机的电压和电流输出电极。

本发明还提供一种摩擦发电机组，由本发明的单体摩擦发电机进行串联或者并联组成，以提高输出电流或单位面积的输出功率。

本发明所述第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层、第三高分子聚合物绝缘层材质可以相同，也可以不同。如果三层高分子聚合物绝缘层的材质都相同，会导致摩擦起电的电荷量很小。第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层优选相同，能减少材料种类，使本发明的制作更加方便。

更进一步优选的情况下，所述第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层、第三高分子聚合物绝缘层为透明材料。所述第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层、第三高分子聚合物绝缘层为各自选自透明高聚物聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)和液晶高分子聚合物(LCP)中的一种。所述导电薄膜为铟锡氧化物(ITO)、石墨烯电极和银纳米线膜中的一种。采用上述优选材料后，这时整个器件是一个全透明柔性装置。本发明的透明发电机能用在智能手机的屏幕等高清晰度液晶显示器、触摸屏以及其它自驱动的电子显示屏领域。

所述第一电极、第二电极和居间薄膜为柔性平板结构，用于通过其任意弯曲、变形造成所述电极摩擦起电。柔性平板结构可以扩大摩擦发电机的应用环境，收集和转换不规则的动能，如人体肌肉部分的运动及无序的风能等。

所述居间薄膜表面的微纳凹凸结构为纳米级至微米级的凹凸结构。所述居间薄膜表面的微纳凹凸结构为规则的凹凸结构，凹凸结构为条纹状、立方体型、四棱锥型或圆柱形中一种。所述微纳凹凸结构为纳米级至微米机的凹凸结构；微纳凹凸优选为纳米级的凹凸，大小为50nm-300nm，纳米凹凸可以使摩擦接触面积增大，从而提高摩擦起电效率。

当本发明提供的摩擦发电机不需要特别制作成全透明时，并保证所述第一高分子聚合物绝缘层与所述第三高分子聚合物绝缘层材质不同前提下，所述第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层、第三高分子聚合物绝缘层分别为选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维(再生)海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜中的一种。

当然，无需将本发明制成全透明时，所述导电薄膜可以为金属薄膜，所述金属薄膜可以是任何一种导电的材料，如导电高分子、不锈刚等；优选为金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、锡及其合金中的一种，厚度优选为50nm-200nm。所述导电薄膜可以通过真空溅射法或蒸镀法镀于绝缘层表面。

所述第一电极与第二电极的外侧边缘通过胶带连接。所述第一电极与第二电极的外侧边缘通过胶带等方式连接。

本发明提供的摩擦电发电机依靠摩擦电电势的充电泵效应，这是一种简单、低成本和可大规模生产的方法。以双层结构为基础，电输出达到峰值电压18V，电流0.7μA。与现有的其它微型能量收集方法相比，本发明的摩擦电发电机有以下几个独特的优势。首先，这是一种以新颖的原理和方法为基础的新型发电机，它很可能会为有机电子器件和柔性电子学的研究和应用开辟新的研究领域；其次，整个器件的制造工艺不需要昂贵的原材料和先进的制造设备，这将有利于它大规模工业生产和实际应用。最后，该装置以柔性聚合物片为基础，易加工，器件的使用寿命长，并且容易与其它加工工艺集成。摩擦电发电机展示出它良好的应用前景，能够从人类活动、轮胎转动、海浪、机械振动等众多不规则活动中获得能量，为个人电子产品、环境监控、医学科学等提供自供电和自驱动设备，有着巨大的商用和实用潜力。

附图说明

图1为本发明摩擦发电机的结构示意图。

图2为本发明摩擦发电机一种具体实施例的制作过程示意图。

图3为本发明摩擦发电机一种具体实施例的居间薄膜表面微纳凹凸结构示意图。

图中：1-导电薄膜，2-第一高分子聚合物绝缘层，3-电流表，4-居间薄膜，5-第二高分子聚合物绝缘层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

附图1所示是一个以高分子聚合物为基础的全透明的摩擦发电机典型结构。摩擦发电机就像一个由两种不同聚合物片组成的三明治结构，两个聚合物片相互堆叠在一起，中间夹一个居间薄膜。如附图1a所示，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)作为第一高分子聚合物绝缘层2，并在其一侧表面镀有铟锡氧化物(ITO)导电薄膜1，由该绝缘层2和导电薄膜1这两层形成第一电极。另一电极也是以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)作为第二高分子聚合物绝缘层5，并在其一侧表面镀有铟锡氧化物(ITO)导电薄膜1；不同的是第二高分子聚合物绝缘层5上粘贴有居间薄膜4，居间薄膜4为聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜，居间薄膜上形成为有规则的四棱锥型的微纳凹凸结构，由ITO薄膜、PET及PDMS薄膜共同形成第二电极。第一电极的ITO薄膜和第二电极的ITO薄膜均作为电流和电压的输出电极与电流表3连接。如说明书附图1b所示，当摩擦发电机发生弯曲时，PDMS薄膜与第一电极的PET薄膜摩擦感应出电荷，感应电荷形成内电势，进一步在导电薄膜ITO上分别感应出电荷，连通外电路即可产生电流。

如图2所示，提供了上述全透明发电机的制作方法。首先制作图形化的硅模板(图中标为Si mold)，4英寸(100)晶向的硅片使用光刻的方法在表面做出规则的图形。做好图形的硅片通过湿刻的工艺进行各向异性刻蚀，刻出凹形的四棱锥阵列结构，通过干刻的工艺进行各向同性刻蚀刻出凹形的立方体阵列结构。刻好之后的模板用丙酮和异丙醇清洗干净，然后所有的模板都在三甲基氯硅烷(Sigma Aldrich公司制)的气氛环境中进行表面硅烷化的处理，处理好硅模板待用。制作具有微结构表面的PDMS膜，首先将PDMS前躯体和固化剂(Sylgard184,Tow Corning)以10:1的质量比混合。然后将混合物涂覆于硅模板表面，经过真空脱气过程后，采用旋转涂覆的方式将硅片表面多余的混合物去掉，形成一层薄薄的PDMS液体膜。将整个模板在85摄氏度的环境中固化1小时，之后一层均匀的具有特定微结构阵列的PDMS膜就能从模板上剥离。然后，将该膜固定在一片干净的镀有铟锡氧化物(ITO)导电层的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)绝缘层一侧，固定的方法是用一层薄的未固化的PDMS层做为粘结层。经过固化后，PDMS膜就牢牢固定于PET的绝缘层上。然后，再将另一镀有ITO的PET膜覆盖在PDMS层上，形成一个类似三明治结构的器件。器件的顶部和底部都有透明的导电ITO电极。器件的两个短侧边缘用普通透明胶带粘合保证PET层和PDMS层在界面处有足够的接触面积。然后用银浆将两根铜导线分别从上下固定于两片ITO电极上，至此整个柔性透明纳米发电机制备完成。将发电机的有效尺寸统一固定为4.5cm×1.2cm,整个器件的厚度大约是460μm。

附图2中，提供了三种PDMS图形阵列制作过程，包括条纹状，立方体型和四棱锥型。这三种微纳凹凸结构的表面显微图如附图3a-c所示，每个PDMS的阵列单元大小被限制为约10微米。具有更小尺度单元的图形阵列同样可以被制备出来，其尺度小到5微米，而且具有同样的高质量特征，插图是展示的是45°倾斜高放大率图像。高分辨的SEM照片表明，所有的阵列单元都是非常均匀和规则的，说明这是制备大尺度均匀塑性微结构的一个很有效的方法。更重要的是，每个四棱锥单元都有一个完整几何结构的锐利尖端，这将有利于其在发电过程中增加摩擦面积和提高纳米发电机的电能输出效率。此外，制备好的PDMS薄膜具有很好的伸缩性和透明性。

为了表征上述制成的摩擦发电机的电能输出性能，对具有不同形貌PDMS膜的器件做对比表征。当用一个线性电机马达以一定频率控制纳米发电机的弯曲和释放(在0.33Hz的频率和0.13％的形变)，具有四棱锥结构的器件的最大输出电压和电流信号分别高达18V和0.7A(0.13A/cm²的电流密度)，能够与那些以压电材料和复杂设计为基础的压电发电机相媲美。相比于平板薄膜纳米发电机，有规则图形阵列的发电机的输出效率显著增加，可归因于两个主要因素：(1)具有微纳凹凸结构的薄膜的摩擦效应远远高于同等厚度的平板薄膜。一个均匀的粗糙表面具有较大的接触面积，能够在摩擦过程中产生更多的表面电荷。(2)具有微纳凹凸结构的薄膜在摩擦过程中其内电容的容量显著提高，这是由于空气空隙的存在和有效介电常数的增加。当两片聚合物膜完全被粘合时，空气空隙的减少和摩擦性能的减弱会导致电能输出能力明显降低。因此，基于四棱锥或立方体结构PDMS膜的器件与平板无微纳凹凸结构的器件相比，其电能输出几乎提高了5-6倍。

本具体实施例中，将柔性、高电能输出及透明性等特性统一集成在单个微纳发电机中。解决了微纳发电机在某些特定领域的应用问题，但是发明并不限定于特别制成透明状。

另一个具体实施方式也是如附图1所示的结构，不同的是第一高分子聚合物绝缘层采用一个矩形的(4.5cm×1.2cm)聚酰亚胺薄膜(厚度125μm，杜邦500HN，Kapton)，一侧表面通过溅射涂膜的方法镀有合金金属薄膜1(厚度100nm，Au)，两层形成第一电极；另一电极也为矩形的(4.5cm×1.2cm)聚酰亚胺薄膜(厚度125μm，杜邦500HN，Kapton)作为第二高分子聚合物绝缘层5，并在其一侧表面通过溅射涂膜的方法镀有合金金属薄膜1(厚度100nm，Au)，居间薄膜4为柔性聚甲基丙烯酸甲酯(厚度50μm，PMMA)，居间薄膜上有规则的四棱锥型的微纳凹凸结构，合金薄膜、Kapton及PMMA薄膜共同形成第二电极。第一电极的合金薄膜与第二电极的合金薄膜作为电流和电压的输出电极，与电流表3连接。本实施例测试结果为，最大输出电压和电流信号分别为12V和0.5A(0.07A/cm²的电流密度)。

本发明摩擦发电机满足基本电路连接的线性叠加原理，即无论正向或反向连接到测量装置时，总的输出电流能够以并联器件的方式被增强(相同方向)或者减少(相反的方向)。因而能够利用平行并联多个摩擦电发电机的方式，并且利用摩擦电发电机薄的面板结构能够同时装配多层发电机，由此来增大输出电流。当然也能够通过串联多个摩擦电发电机的方式提高单位面积的输出功率。

本发明展示了一种利用摩擦作用获得能量的革新而有效的方法。摩擦电发电机依靠内部摩擦起电电势的变化以及两侧金属极板的诱导效应产生电能，它是一种简单、高效和低成本的方法。

本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的范围。

Claims

1.一种摩擦发电机，包括第一电极、第二电极和居间薄膜，

所述第一电极包括一侧表面设置有导电薄膜的第一高分子聚合物绝缘层；

所述第二电极包括一侧表面设置有导电薄膜的第二高分子聚合物绝缘层；

所述居间薄膜为第三高分子聚合物绝缘层，且其一侧表面设有微纳凹凸结构；

所述居间薄膜未设置微纳凹凸结构的表面固定在第二高分子聚合物绝缘层未设置导电薄膜的一侧表面上，与第二电极形成一体；

在所述第二电极上，居间薄膜微纳凹凸结构的表面与第一电极未设置导电薄膜的表面正对贴合而相互固定连接；

所述第一高分子聚合物绝缘层的导电薄膜和第二高分子聚合物绝缘层上的导电薄膜均为摩擦发电机的电压和电流输出电极。

2.根据权利要求1所述的摩擦发电机，所述第一高分子聚合物绝缘层、所述第二高分子聚合物绝缘层、所述第三高分子聚合物绝缘层的材质不同。

3.根据权利要求1所述的摩擦发电机，所述第一高分子聚合物绝缘层材质与所述第二高分子聚合物绝缘层材质相同，且与所述第三高分子聚合物绝缘层材质不同。

4.根据权利要求1所述的摩擦发电机，所述第一高分子聚合物绝缘层材质与所述第三高分子聚合物绝缘层材质不同。

5.根据权利要求4所述的摩擦发电机，所述第一高分子聚合物绝缘层、所述第二高分子聚合物绝缘层和所述第三高分子聚合物绝缘层均为透明材料。

6.根据权利要求5所述的摩擦发电机，所述第一高分子聚合物绝缘层、所述第二高分子聚合物绝缘层和所述第三高分子聚合物绝缘层的材质分别为各自选自透明高聚物聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯和液晶高分子聚合物中的一种。

7.根据权利要求5或6所述的摩擦发电机，所述导电薄膜为铟锡氧化物、石墨烯电极和银纳米线膜中的一种。

8.根据权利要求1所述的摩擦发电机，所述第一电极、第二电极和居间薄膜为柔性平板结构，它们通过任意弯曲或变形造成所述电极摩擦起电。

9.根据权利要求1所述的摩擦发电机，所述居间薄膜表面的微纳凹凸结构为纳米级至微米级的凹凸结构。

10.根据权利要求9所述的摩擦发电机，所述居间薄膜表面的微纳凹凸结构为有规则的凹凸结构，凹凸结构为条纹状、立方体型、四棱锥型或圆柱形中的一种。

11.根据权利要求4所述的摩擦发电机，所述高分子聚合物绝缘层为选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维(再生)海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜中的一种。

12.根据权利要求1所述的摩擦发电机，所述第一电极与第二电极的外侧边缘通过胶带连接。

13.根据权利要求1所述的摩擦发电机，所述第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层上的导电薄膜通过真空溅射法或蒸镀法镀于绝缘层表面。

14.根据权利要求1所述的摩擦发电机，所述导电薄膜为金属薄膜，其材质为选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、锡或其合金中的一种。

15.一种摩擦发电机组，由权利要求1-14所述的单体摩擦发电机并联或串联组成。