一种摩擦发电机

摘要

本发明提供了一种摩擦发电机，所述摩擦发电机包括两个电极，该电极包括高分子聚合物绝缘层，所述高分子聚合物绝缘层一侧表面为微纳凹凸结构，另一侧表面设置有金属薄膜，绝缘层电极微纳凹凸结构的表面与另一个绝缘层电极微纳凹凸结构的表面正对贴合并通过外侧边缘固定连接；金属薄膜为摩擦发电机电压和电流输出的电极。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。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。

权利要求

1.一种摩擦发电机，其特征在于，包括第一电极和第二电极，

所述第一电极包括第一高分子聚合物绝缘层，所述第一高分子聚合物绝缘层一侧表面为微米级凹凸结构，另一侧表面设置有金属薄膜；

所述第二电极包括第二高分子聚合物绝缘层，所述第二高分子聚合物绝缘层一侧表面为微米级凹凸结构，另一侧表面设置有金属薄膜；所述第一电极微米级凹凸结构的表面与所述第二电极微米级凹凸结构的表面正对贴合并通过外侧边缘固定连接；

所述第一电极和第二电极为通过任意弯曲或变形能够产生摩擦起电的柔性平板结构；

所述微米级凹凸结构是通过打磨方法形成的；

所述第一高分子聚合物绝缘层的金属薄膜与所述第二高分子聚合物绝缘层上的金属薄膜均为所述摩擦发电机的电压和电流输出电极；

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不同。

2.根据权利要求1所述的摩擦发电机，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层和所述第二高分子聚合物绝缘层分别选自聚酰亚胺薄膜、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、纤维海绵薄膜、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、丙烯腈氯乙烯薄膜以及聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜中的一种。

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

4.根据权利要求1所述的摩擦发电机，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层上的金属薄膜和所述第二高分子聚合物绝缘层上的金属薄膜分别通过真空溅射法或蒸镀法镀于所述绝缘层表面上。

5.根据权利要求1所述的摩擦发电机，其特征在于，所述金属薄膜材质为金、银、铂、铝、镍、铜、钛及其合金中的一种。

6.一种摩擦发电机组，其特征在于，由权利要求1-5任一所述的单体摩擦发电机并联或串联组成。

说明书

一种摩擦发电机

背景技术

[0001] 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3
经达到了1-10mW/cm。

[0002] 通常来讲，发电机是一种能够生成电荷，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，它能够以电磁、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。如果我们能够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能够利用的电能，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。中国专利申请号为200910080638.X，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，使定子摩擦材料和转子摩擦材料间旋转摩擦，产生电流，并由转子输出端引出。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

[0003] 本发明为解决现有技术中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。

[0004] 本发明提供了一种摩擦发电机，包括第一电极和第二电极，所述第一电极包括第一高分子聚合物绝缘层，所述第一高分子聚合物绝缘层一侧表面为微米级凹凸结构，另一侧表面设置有金属薄膜；所述第二电极包括第二高分子聚合物绝缘层，所述第二高分子聚合物绝缘层一侧表面为微米级凹凸结构，另一侧表面设置有金属薄膜；所述第一电极微米级凹凸结构的表面与第二电极微米级凹凸结构的表面正对贴合并通过外侧边缘固定连接；所述微米级凹凸结构是通过打磨方法形成的；所述第一高分子聚合物绝缘层的金属薄膜与第二高分子聚合物绝缘层上的金属薄膜均为摩擦发电机的电压和电流输出电极。

[0005] 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。

[0006] 本发明的所述高分子聚合物绝缘层选自聚酰亚胺薄膜、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、纤维海绵薄膜、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、丙烯腈氯乙烯薄膜以及聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜中的一种，但所述第一高分子聚合物绝缘层与所述第二高分子聚合物绝缘层材质不同。如果第一电极的第一高分子聚合物绝缘层与第二电极的第二高分子聚合物绝缘层材质相同，会导致摩擦起电的电荷量很小。

[0007] 所述第一电极和第二电极构成为通过使其任意弯曲、变形而产生所述电极摩擦起电的柔性平板结构。柔性平板结构能够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。

[0008] 所述第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层表面的微米级凹凸结构为微小凹凸结构。

[0009] 所述第一电极与第二电极的外侧边缘能够通过胶带等方式连接。

[0010] 所述第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层上的金属薄膜均通过真空溅射法或蒸镀法镀于绝缘层表面。所述金属薄膜能够是任何一种导电的材料，如透明导电薄膜、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。

[0011] 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3.3V，电流0.6μA，峰3
值功率密度10.4mW/cm。与已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，并且容易和其它加工工艺集成。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，可为个人电子产品、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

[0012] 图1为本发明摩擦发电机的结构示意图。

[0013] 图2为本发明摩擦发电机的绝缘层表面的微米级凹凸结构示意图。

[0014] 图3为本发明摩擦发电机的发电过程电荷变化示意图。

[0015] 图中：1-金属薄膜，2-第一高分子聚合物绝缘层，3-第二高分子聚合物绝缘层，4-绝缘层表面的微米级凹凸结构。

具体实施方式

[0016] 下面，结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

[0017] 附图1表示一个以高分子聚合物为基础的摩擦发电机的典型结构。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，层间没有任何粘合物。如图1所示，一个矩形的(4.5cm×1.2cm)聚酰亚胺薄膜(厚度125μm，杜邦500HN，附图3中的Kapton)作为第一电极的高分子聚合物绝缘层4，放置在第二高分子聚合物绝缘层2柔性聚酯薄膜基底(厚度220μm，附图3中PET)上。该器件的两个短的边缘用普通胶布密封，来保证两个聚合物绝缘层的适度接触。该结构顶部和底部的两个表面通过溅射涂膜的方法镀有合金金属薄膜1(厚度100nm，附图3中Au)作电极。金属薄膜在这里起两个重要作用：(1)能够感应两高聚物片界面区由于摩擦产生的电势变化，生成等量但电性相反的移动电荷；(2)作为发电机的正负电极直接与外电路连接，是摩擦发电机的电压和电流的输出电极。该器件的整个制备工艺简单，能够大规模生产。因此，本发明是能够在较低成本、较少原材料和加工工序的条件下实现。

[0018] 如图2所示，柔性的聚酰亚胺薄膜和聚酯薄膜基底的表面上具有微米级凹凸结构4，该微米级凹凸结构4能够增加摩擦阻力，提高发电效率。所述微米级凹凸结构4能够在薄膜制备时直接形成，也能够用打磨的方法使将高分子聚合物薄膜的表面形成不规则的微米级凹凸结构。

[0019] 图3是摩擦发电机发电原理的图解。当外力作用于器件上时，两高聚物层产生形变，并且在界面的区域发生互相接触和摩擦。外力机械作用使得两个聚合物层发生相对滑动。低程度摩擦所造成的结果是，由于两聚合物膜表面粗糙度的存在，等量但电性相反的静电荷在界面处生成并分布在两个不同聚合物膜表面上，聚酯薄膜表面主要带正电荷，而聚酰亚胺薄膜表面主要带负电荷，这样就在界面处形成了一个称之为摩擦电势的偶极层。而该偶极层在两个平面金属极板间就形成一个内电势。由于聚合物膜本身是绝缘的，所以感生电荷不会被迅速导走或中和。为了抵消内电势生成对整个系统的影响，金属极板将分别感应出电性相反的自由电荷，而感应到的自由电荷在外电路导通的情况下将发生中和，通过负载进而形成外电流。当外力作用消失时，两聚合物膜由弯曲状态恢复到平整状态，这个过程中再次发生相对滑动和摩擦，偶极层由于界面处电荷的中和而改变，内电势同时改变。内电势的改变将再次导致两个金属极板发生感应，产生与弯曲状态完全相反的自由电荷。
自由电荷流经外电路负载时，再次形成与弯曲情况下相反的外电流。通过反复摩擦和恢复，就能够在外电路中形成周期性的交流电信号。

[0020] 对图3中的发电过程进一步详细描述，第一步是摩擦过程，在界面区域产生局域电荷，形成内电势。第二步是感应过程，当器件产生机械形变时，两金属极板间的距离发生改变，造成内电容的改变以及内电势的产生，进而会导致两金属极板发生自由电荷的重新分布，自由电荷流经外电路负载时形成外电流。只有当两个电极间有电势差时才会形成自由电荷的移动而产生电流，而电势差正是由于摩擦起电效应引起的。第三步是中和过程，到外部作用力消失时，两高聚物膜的恢复到原来状态。两金属极板的间距恢复到原来状态，内电容再次发生改变，内电势由于电荷的相互中和而减弱或消失。之前已经达到电势平衡的两个金属极板再次产生电势差。第四步是恢复过程，自由电荷在电势差的驱动下流经外电路，形成电流，直到两个金属极板的电势相等。在这个过程中形成与器件形变时电性符号相反的外部电流。整个过程就是摩擦电发电机输出交流电信号的过程。最终，发电机在摩擦力被移除时，两个高聚物膜就会恢复它们的初始形状，电荷分布也恢复到原始状态。整个发电过程参见附图3。

[0021] 在本实施例中，为表征聚合物摩擦电发电机的性能，对该器件的电学性能进行了表征。由于两个金属电极间聚合物绝缘层的存在，该器件在I-V(电流-电压)的测量表现出典型的开路特征。使用周期振荡(0.33Hz和0.13％的张力)的步进电机使摩擦电发电机发生周期的弯曲和释放，摩擦电发电机的最大输出电压和电流信号分别达到了3.3V和3
0.6μA，最大输出功率密度达到10.4mW/cm。

[0022] 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)。因而能够通过平行并联多个摩擦电发电机的方式，以及由于摩擦电发电机薄的面板结构能够同时装配多层发电机，以此来增大输出电流。当然，也能够通过串联多个摩擦电发电机组成摩擦发电机组，以提高单位面积的输出功率。

[0023] 以上，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。

[0024] 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。