[發明專利]一種高輸出自愈型單電極式摩擦納米發電機及其制備方法

有效

• 申請號: 202010182994.9
• 申請日: 2020-03-16
• 公開（公告）號: CN111355402B
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發明（設計）人: 孫娜;劉盼雷
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H02N1/04
• 分類號: H02N1/04
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 張潔;周蜜

本發明涉及一種高輸出自愈型單電極式摩擦納米發電機及其制備方法，屬于納米能源技術領域。包括導線、與皮膚接觸的摩擦起電層及依次位于摩擦起電層下方的交聯層、自愈電極層和支撐層；摩擦起電層為CNTs/PDMS復合薄膜；交聯層為PDMS和PMHS形成的混合物；自愈電極層為添加有石墨烯和甘油的PVA水凝膠；支撐層為PDMS薄膜。所述納米發電機通過向PVA水凝膠中添加石墨烯作為導電增強相，同時細化晶格，提高材料的機械性能；添加甘油，使其在空氣中能夠實現快速自愈；通過向PDMS中添加CNT作為增強相，使摩擦層具有高的介電性能，提高摩擦納米發電機的輸出。交聯劑使自愈電極層與摩擦層具有良好的物理交聯。

技術領域

本發明涉及一種高輸出自愈型單電極式摩擦納米發電機及其制備方法，屬于納米能源技術領域。

背景技術

在納米能源領域，基于摩擦起電和靜電感應的摩擦納米發電機(TENG)作為一種全新的能源技術，自2012年被提出以來，研究學者開發了各種形式的TENG，以及采用各種方法和措施來提高TENG的輸出性能。

TENG具有接觸分離、水平滑動、單電極和獨立層四種基本工作模式。其中，單電極模式的TENG，通常由靜電感應電極層和摩擦起電層所組成，因只有一個底部電極，相對于其他起電模式，對另一個電極沒有任何限制，故在可穿戴設備上具有廣泛的應用前景。但由于TENG的能量收集效率有限，輸出電流和輸出功率較低，限制了TENG的商業化應用。

TENG輸出性能的改善，主要依賴于摩擦起電層材料的有效接觸面積和表面電荷密度，即可以通過改變摩擦起電層材料的表面形貌來增加TENG的有效接觸面積；或者通過提高摩擦起電層材料的介電常數或進行表面改性，改變材料對電子的親和力，從而增加表面的電荷密度，來提高TENG的輸出性能。提高摩擦起電層材料的介電常數通常有兩種途徑：一是通過在摩擦層的聚合物基體材料中添加陶瓷顆粒，但往往需要較大的添加比例才能達到提高TENG輸出性能的目的，并且大量陶瓷顆粒的添加會影響基體材料的力學性能；二是通過在摩擦層的聚合物材料中添加導電粒子，但導電粒子不容易分散充分，在聚合物基體材料中容易形成團聚，因而采用該方法改善TENG輸出性能的程度有限。

為了提高單電極式的TENG在可穿戴設備中的適用性，避免TENG由于非故意的破壞運動，如機械刺激或內部的機械摩擦，對TENG的輸出性能造成影響，研究人員開發出了具有自愈功能的TENG。現有的自愈型單電極式TENG主要分為電極層可自愈、摩擦層可自愈以及電極層和摩擦層同時可自愈三種類型。所選用的自愈材料包括水凝膠、環氧樹脂、玻璃彈性體和聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。

摩擦層可自愈型TENG存在的主要問題是通過彈性體與官能基團的縮合反應，引入動態二硫鍵、可逆亞胺鍵，使彈性體具有自愈性能，不僅制備工藝復雜，并且自愈時間長。電極層可自愈型TENG中的自愈電極僅有存在于基體材料的可逆氫鍵，力學性能差，在空氣中自愈時間較長，并且所制備的TENG輸出性能較低。在以水凝膠為自愈電極層的實現方案中，沒有解決自愈電極層與摩擦層的結合性問題。

在2019年9月24日公開的，公開號為CN110277936A，名稱為“一種柔性可修復摩擦納米發電機及其應用”的中國專利中，公布了一種以水凝膠為自愈電極的摩擦納米發電機，設計彈性材料為摩擦納米發電機的基底，添加碳納米管作為導電材料，并在柔性電極中引入光熱粒子聚多巴胺和硼酸鈉，使其在紅外照射下1min自愈，有水環境中5min自愈，最后用高柔性硅膠封裝，實現摩擦納米發電機的柔性應用及其可修復應用，但其實現自愈需要一定外部條件，在空氣中并未實現良好自愈。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種高輸出自愈型單電極式摩擦納米發電機及其制備方法，所述納米發電機輸出性能高，自愈速度快，機械性能優異。

為實現上述目的，本發明的技術方案如下：