[發(fā)明專利]一種自清潔自充電能量系統(tǒng)及其制造方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710737171.6
• 申請(qǐng)日: 2017-08-24
• 公開（公告）號(hào): CN107546829A
• 公開（公告）日: 2018-01-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張躍;張茜;梁齊杰;廖慶亮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H02J7/34
• 分類號(hào): H02J7/34;H02J7/32;H01G11/10;H01G11/84
• 代理公司: 北京金智普華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11401
• 代理人: 皋吉甫

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微納能源、水力發(fā)電、能量存儲(chǔ)領(lǐng)域，具體涉及一種自清潔自充電能量系統(tǒng)及其制造方法。

背景技術(shù)

能源消費(fèi)需求的快速增加，使常規(guī)能源面臨枯竭的危機(jī)。為了解放人類對(duì)化石燃料的依賴，從環(huán)境中獲取能量吸引了越來越多的興趣。環(huán)境中的熱能、風(fēng)能、太陽能、水能都是可再生資源。其中的水流相關(guān)能量是取之不盡的綠色能源，且不受日光和天氣的限制。傳統(tǒng)的電磁式水力發(fā)電機(jī)在收集大規(guī)模水流能量領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用，然而其體積巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高昂等特點(diǎn)限制了其在日常生活中的應(yīng)用。

2013年，王中林小組（Angew. Chem. Int. Ed.2013, 52(48), 12545.）報(bào)導(dǎo)了利用水和固體界面形成接觸帶電組成的摩擦發(fā)電機(jī)可能在收集水流能量方面具有巨大的應(yīng)用前景。摩擦納米發(fā)電機(jī)可以有效地收集水的機(jī)械能，而且具有成本低、重量輕、體積小、高效率、高環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，很適合用來做供能器件。然而，摩擦納米發(fā)電化輸出的是交變電流而且其峰值會(huì)隨著機(jī)械運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的不同而變化。為了構(gòu)建一個(gè)可提供恒定電流的供能器件，需要把摩擦納米發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能器件如電容器和電池結(jié)合起來。與電池和傳統(tǒng)電容器相比，超級(jí)電容器具有很高的功率和能量密度，很好的周期工作穩(wěn)定性，很快的充電/放電速率等優(yōu)點(diǎn)，因而很適合作為儲(chǔ)能器件與摩擦納米發(fā)電機(jī)組成自充電能源系統(tǒng)，進(jìn)而成為電子產(chǎn)品的穩(wěn)定供能元件。現(xiàn)如今收集水能的摩擦發(fā)電機(jī)與具有高功率和能量密度的超級(jí)電容器一體化集成系統(tǒng)還是一個(gè)空白，并且如何將該能量系統(tǒng)保證高效率的同時(shí)做到超疏水和柔性等問題需要進(jìn)一步的探討。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題，本發(fā)明提出一種自清潔自充電能量系統(tǒng)，所述自充電能量系統(tǒng)可通過具有疏水疏油雙疏表面的水能摩擦納米發(fā)電機(jī)將水能轉(zhuǎn)化為電能，并將轉(zhuǎn)換的能量存儲(chǔ)在纖維型超級(jí)電容器中的，同時(shí)所述自充電能量系統(tǒng)具有自清潔功能；

進(jìn)一步的，所述自清潔自充電能量系統(tǒng)包括自清潔摩擦納米發(fā)電機(jī)和纖維型超級(jí)電容器，所述自清潔摩擦納米發(fā)電機(jī)設(shè)置于纖維型超級(jí)電容器之上；

進(jìn)一步的，所述自清潔摩擦納米發(fā)電機(jī)包括摩擦層和功能薄膜層，所述摩擦層使用PTFE，以Al薄膜做電極，所述功能薄膜層位于PTFE表面；

進(jìn)一步的，所述功能薄膜層為一種疏水疏油薄膜；

進(jìn)一步地，所述纖維型超級(jí)電容器由附著有復(fù)合活性物的電極和固態(tài)電解質(zhì)組成；

進(jìn)一步的，一種自清潔自充電能量系統(tǒng)的制造方法，所述制造方法包括：

S1：制備自清潔摩擦納米發(fā)電機(jī)的摩擦層和功能薄膜層；

S2：制備纖維型超級(jí)電容器；

S3：將四個(gè)S2中制備的纖維性超級(jí)電容器串聯(lián)在一起；

S4：將S1中制備的清潔摩擦納米發(fā)電機(jī)設(shè)置在纖維型超級(jí)電容器上，并用PDMS進(jìn)行封裝；

進(jìn)一步的，所述S1包括：

S11：使用PTFE作為摩擦層，并以Al薄膜做電極；

S12：將硅粉顆粒分散入溶劑中；

S13：將S12中溶液轉(zhuǎn)移到噴槍中，并噴涂在清潔后的PTFE薄膜上；

S14：將三甲基氧硅烷噴涂在干燥后的上述膜上，在100℃干燥24小時(shí)；

進(jìn)一步的，所述PTFE可替換為：PVC、PAN、PVDF或PDMS；

進(jìn)一步的，所述S2包括：

S21:準(zhǔn)備好若干根5cm長(zhǎng)的碳纖維；

S22：用鑷子將碳纖維放入盛有復(fù)合活性物溶液的樣品瓶中，充分浸泡24h，使復(fù)合活性物附著在碳纖維表面；

S23：將上一步浸泡的碳纖維取出進(jìn)行烘干處理，溫度設(shè)置為60℃，烘干約10min，完成第一次附著處理；

S24:重復(fù)5次S22和S23的復(fù)合活性物附著處理，保證了碳纖維上有充足的活性物質(zhì)；

S25：加熱PVA/H₂SO₄固態(tài)電解液使之黏度降低，呈流體狀；

S26：用完成第5次附著處理的碳纖維電極蘸取PVA/H₂SO₄電解液，并晾干12h，此步驟重復(fù)兩次，使電解液將電極充分包裹；

S27：取兩根上一步晾干好的碳纖維電極，并進(jìn)行封裝處理；

進(jìn)一步的，所述PVA/H₂SO₄可替換為：PVA/KOH或PVA/Na₂SO_4；

本發(fā)明的有益效果如下：

1）通過將水能摩擦納米發(fā)電機(jī)和纖維性超級(jí)電容器進(jìn)行自充電能量系統(tǒng)的組裝實(shí)現(xiàn)了水能到電能的轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)；