[發明專利]一種用于摩擦發電機的復合柔性碳凝膠電極及其制備方法

有效

• 申請號: 202010154134.4
• 申請日: 2020-03-07
• 公開（公告）號: CN111446882B
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發明（設計）人: 胡陳果;劉怡珂;劉文林;郭恒宇
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: H02N1/04
• 分類號: H02N1/04;H02N1/08;H01B13/00;H01B5/14;H01B5/16;H01B1/18;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 重慶市前沿專利事務所(普通合伙) 50211
• 代理人: 郭麗

本發明公開了一種用于摩擦發電機的復合柔性碳凝膠電極及其制備方法，以及具有該柔性電極的摩擦發電機，所述柔性電極包括導電碳凝膠，導電碳凝膠由微米級的粗碳粉、納米級的細碳粉和柔性硅膠按一定比例制成。本發明提供的復合柔性碳凝膠電極，材料新穎，能夠極大提高摩擦發電機兩個摩擦層的有效接觸面積，可以使得摩擦發電機的接觸效率從6.16％提高至54.98％，且該柔性電極的使用壽命久，不易磨損；本發明提供的柔性碳凝膠電極的制備方法，工藝流程簡單，經濟有效，適合于應用與推廣。

技術領域

本發明涉及摩擦發電機技術領域，特別是涉及一種用于摩擦發電機的復合柔性碳凝膠電極及其制備方法，以及具有該復合柔性碳凝膠電極的摩擦發電機。

背景技術

基于摩擦起電和靜電感應的摩擦發電機(TENG)可以用來收集環境中的機械能，是一種新型的發電裝置。通常，垂直接觸分離模式下的TENG的兩個摩擦層由兩種性質不同的材料組成，根據表面電勢的差異選擇金屬和電介質。

具體地，基于摩擦起電和靜電感應的TENG有兩個摩擦層，兩個摩擦層可為兩層介電膜，也可為一層介電膜和一個電極，TENG能量的輸出依賴于這兩個摩擦層的接觸與分離。實際應用中，由于材料表面并非絕對的平整，在接觸狀態下還存在部分微米級的氣隙，從而使兩個摩擦層的實際有效接觸面積小于電極和摩擦層的實際面積，導致了輸出電荷的大幅降低。因此，影響TENG更近一步應用于實際生活中的是其輸出電荷密度，而金屬和電介質之間的接觸面積又是影響摩擦發電機(TENG)輸出電荷密度的重要因素。因此，提高摩擦發電機的接觸面積，正確嚴謹地計算接觸面積，對摩擦發電機的更進一步的評估電荷密度有著重要意義。

對于傳統的摩擦發電機，一般是通過增加柔性基底從而通過基底變形來提高接觸面積，或是通過對摩擦材料表面進行處理從而增加微表面積來提高接觸面積。比如在器件底部添加泡棉基底或是使用液體墊子等。雖然這些方法確實可以一定程度上提高接觸面積從而改善輸出，然而這種提高是及其有限的。而且這些方法操作繁雜，還會增加TENG自身重量與體積。2015年發表在《能源與環境科學》(EnergyEnvironmental Science)上的一篇名為“納米金介孔作為有效介電材料在惡劣環境下提高摩擦電納米發電機性能(Mesoporouspores impregnated with Au nanoparticles as effective dielectrics forenhancing triboelectric nanogenerator performance in harsh environments)”的文章提出了一種通過澆鑄PDMS溶液和去離子水的混合物，在室溫下非常緩慢地蒸發水，來制造大體積的介孔聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜的方法，通過制造介孔來增大摩擦層的有效接觸面積，從而提高TENG的輸出性能。然而，這種方法提供的電荷密度、電流密度依然是有限的。因此，本發明期望開發一種能夠大幅提高電極有效接觸面積的新型電極材料。

此外，在現有的研究工作中，均是憑借經驗來衡量有效接觸面積，這不僅不能嚴謹定量地描述接觸面積，還會對計算功率密度、電荷密度等物理量造成極大的誤差。因此，非常有必要發明一種可以準確地量化接觸面積的方法，這對摩擦發電機的發展同樣有著重要意義。

發明內容

本發明旨在至少解決上述技術問題，且為了實現上述目的，根據本發明的第一方面，提供一種用于摩擦發電機的復合柔性碳凝膠電極，包括導電碳凝膠，所述導電碳凝膠由微米級的粗碳粉、納米級的細碳粉和柔性硅膠按一定比例混合制成。

進一步地，所述粗碳粉和所述細碳粉按照(4～7)：(1.5～3)：60的比例加入所述柔性硅膠中制作成凝膠電極。

進一步地，所述柔性硅膠為雙組分硅膠，由A液和B液混合均勻后凝固制成，A液與B液的體積比為1:2～2:1。其中通過調控A液和B液的比例可以調節其凝固的程度，混入碳粉后最終成半凝固狀態最佳。進一步地，A液與B液的體積比為1:1。

進一步地，所述導電碳凝膠通過自身吸附力連接緩沖層。