[發(fā)明專利]基于三維石墨烯的集成微納能量回收存儲芯片及其工作方法

有效

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• 申請日: 2020-05-16
• 公開（公告）號: CN111555655B
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發(fā)明（設計）人: 白民宇;劉歡;劉衛(wèi)國;解飛;文帥
• 申請（專利權）人: 西安工業(yè)大學
• 主分類號: H02N1/04
• 分類號: H02N1/04;H01G4/40;B81B7/02
• 代理公司: 西安智大知識產(chǎn)權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

基于三維石墨烯的集成微納能量回收存儲芯片及其工作方法，該芯片由自下而上的基座、中間層、頂層以及嵌套在這三層結構中的發(fā)電正極模塊、發(fā)電負極模塊以及電容模塊構成；其中發(fā)電正極模塊和發(fā)電負極模塊，分別是內(nèi)部包含正極顆粒和負極顆粒的多孔三維石墨烯，在芯片受到振動時顆粒與三維石墨烯壁面碰撞摩擦，分別產(chǎn)生正負電荷，經(jīng)過電源管理模塊處理后向外供電；電容模塊作用是在發(fā)電功率大于供電功率時存儲振動能量轉(zhuǎn)換而來的電能，并在發(fā)電功率不足時向外補充供電。本發(fā)明芯片中集成了能量回收和存儲元件，可以持續(xù)向外供電并存儲富余電量。芯片采用微納工藝制造，體積小，適用于移動消費電子產(chǎn)品與物聯(lián)網(wǎng)等。

技術領域

本發(fā)明涉及能量回收與存儲技術領域，具體涉及一種基于三維石墨烯的集成微納能量回收存儲芯片及其工作方法。

背景技術

移動消費電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，伴隨而來的是移動能量供給或者分布式能量供給需求。目前移動消費電子領域如手機、筆記本電腦、智能手表等主要依賴電池供電；物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點供電則采用電網(wǎng)和電池供電兩種方式。電池供電的問題包括續(xù)航時間受限制、電池充放電次數(shù)有限、性能易退化等；電網(wǎng)供電持續(xù)性強，但是需要建立供電網(wǎng)絡，額外增加了物聯(lián)網(wǎng)復雜程度和建設運營成本；此外對于氣象監(jiān)測、地質(zhì)監(jiān)測、水文監(jiān)測等野外作業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，電網(wǎng)供電成本過高難以實用，電池供電又難以保證長時間持續(xù)供電。因此可提供長時間持續(xù)性能量供給的可移動能量源對于消費電子和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

針對移動消費電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)能量需求，本發(fā)明旨在提供一種可長時間持續(xù)供電的基于三維石墨烯的集成微納能量回收存儲芯片及其工作方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下方案：

基于三維石墨烯的集成微納能量回收存儲芯片，由自下而上的基座1、中間層2、頂層3以及嵌套在這三層結構中的發(fā)電正極模塊4、發(fā)電負極模塊5以及電容模塊6構成；

所述基座1上具有正極盲槽1-1、電容盲槽1-2與負極盲槽1-3，基座電容負極引線孔1-4以及隔膜臺階1-5；

所述中間層2上具有正極通槽2-1、電容通槽2-2、負極通槽2-3以及中間電容負極引線孔2-4；中間層2所有通槽為貫通上下表面的結構；

所述的頂層3上具有發(fā)電正極引線孔3-1、發(fā)電正極集流槽3-2、電容正極引線孔3-3、電容正極集流槽3-4、頂層電容負極引線孔3-5、發(fā)電負極集流槽3-6以及發(fā)電負極引線孔3-7；其中各引線孔均貫穿頂層3，各集流槽均位于頂層下表面；各引線孔橫向位置位于對應的集流槽區(qū)域內(nèi)；

所述的基座1、中間層2和頂層3從下到上依次疊加；

所述的正極盲槽1-1、正極通槽2-1以及發(fā)電正極集流槽3-2徑向尺寸相同，相互對準，共同圍成一個空腔，在該空腔內(nèi)部自下而上依次布置有發(fā)電正極4-1與發(fā)電正極集流器4-2，二者相互接觸；發(fā)電正極引線孔3-1內(nèi)部填充發(fā)電正極引線4-3；頂層3上表面并位于發(fā)電正極引線孔3-1端面周圍區(qū)域設置發(fā)電正極焊盤4-4；發(fā)電正極4-1產(chǎn)生的正電荷被發(fā)電正極集流器4-2收集，并通過發(fā)電正極引線4-3導出至發(fā)電正極焊盤4-4存儲；所述發(fā)電正極4-1、發(fā)電正極集流器4-2、發(fā)電正極引線4-3和發(fā)電正極焊盤4-4構成發(fā)電正極模塊4；

所述的負極盲槽1-3、負極通槽2-3以及發(fā)電負極集流槽3-6徑向尺寸相同，相互對準，共同圍成一個空腔，在該空腔內(nèi)部自下而上依次布置有發(fā)電負極5-1與發(fā)電負極集流器5-2，二者相互接觸；發(fā)電負極引線孔3-7內(nèi)部填充發(fā)電負極引線5-3；頂層3上表面并位于發(fā)電負極引線孔3-7端面周圍區(qū)域設置發(fā)電負極焊盤5-4；發(fā)電負極5-1產(chǎn)生的負電荷被發(fā)電負極集流器5-2收集，并通過發(fā)電負極引線5-3導出至發(fā)電負極焊盤5-4；所述發(fā)電負極5-1、發(fā)電負極集流器5-2、發(fā)電負極引線5-3和發(fā)電負極焊盤5-4構成發(fā)電負極模塊5；