CN107546829A - 一种自清洁自充电能量系统及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种自清洁型自充电能量系统及其制造方法，自清洁自充电能量系统包括：自清洁摩擦纳米发电机和纤维型超级电容器，自清洁摩擦纳米发电机设置于纤维型超级电容器之上，自清洁摩擦纳米发电机包括的功能薄膜层是一种疏水疏油薄膜，PTFE摩擦主体，电极为铝电极；纤维型超级电容器由附着有复合活性物的电极和固态电解质组成，功能薄膜的使用发挥了自清洁的作用，增加了器件的实际使用便利，另外，这种能量系统的结构简单、成本低廉，其可以收集生活中的水流相关能量，可广泛应用于建筑、衣物或一系列需要提供能量的场合，有望对智能家居、可穿戴电子设备供能，有很大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及微纳能源、水力发电、能量存储领域，具体涉及一种自清洁自充电能量系统及其制造方法。
背景技术
能源消费需求的快速增加，使常规能源面临枯竭的危机。为了解放人类对化石燃料的依赖，从环境中获取能量吸引了越来越多的兴趣。环境中的热能、风能、太阳能、水能都是可再生资源。其中的水流相关能量是取之不尽的绿色能源，且不受日光和天气的限制。传统的电磁式水力发电机在收集大规模水流能量领域发挥了巨大的作用，然而其体积巨大、结构复杂、造价高昂等特点限制了其在日常生活中的应用。
2013年，王中林小组（Angew. Chem. Int. Ed.2013, 52(48), 12545.）报导了利用水和固体界面形成接触带电组成的摩擦发电机可能在收集水流能量方面具有巨大的应用前景。摩擦纳米发电机可以有效地收集水的机械能，而且具有成本低、重量轻、体积小、高效率、高环保等优点，很适合用来做供能器件。然而，摩擦纳米发电化输出的是交变电流而且其峰值会随着机械运动强度的不同而变化。为了构建一个可提供恒定电流的供能器件，需要把摩擦纳米发电机和储能器件如电容器和电池结合起来。与电池和传统电容器相比，超级电容器具有很高的功率和能量密度，很好的周期工作稳定性，很快的充电/放电速率等优点，因而很适合作为储能器件与摩擦纳米发电机组成自充电能源系统，进而成为电子产品的稳定供能元件。现如今收集水能的摩擦发电机与具有高功率和能量密度的超级电容器一体化集成系统还是一个空白，并且如何将该能量系统保证高效率的同时做到超疏水和柔性等问题需要进一步的探讨。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种自清洁自充电能量系统，所述自充电能量系统可通过具有疏水疏油双疏表面的水能摩擦纳米发电机将水能转化为电能，并将转换的能量存储在纤维型超级电容器中的，同时所述自充电能量系统具有自清洁功能；
进一步的，所述自清洁自充电能量系统包括自清洁摩擦纳米发电机和纤维型超级电容器，所述自清洁摩擦纳米发电机设置于纤维型超级电容器之上；
进一步的，所述自清洁摩擦纳米发电机包括摩擦层和功能薄膜层，所述摩擦层使用PTFE，以Al薄膜做电极，所述功能薄膜层位于PTFE表面；
进一步的，所述功能薄膜层为一种疏水疏油薄膜；
进一步地，所述纤维型超级电容器由附着有复合活性物的电极和固态电解质组成；
进一步的，一种自清洁自充电能量系统的制造方法，所述制造方法包括：
S1：制备自清洁摩擦纳米发电机的摩擦层和功能薄膜层；
S2：制备纤维型超级电容器；
S3：将四个S2中制备的纤维性超级电容器串联在一起；
S4：将S1中制备的清洁摩擦纳米发电机设置在纤维型超级电容器上，并用PDMS进行封装；
进一步的，所述S1包括：
S11：使用PTFE作为摩擦层，并以Al薄膜做电极；
S12：将硅粉颗粒分散入溶剂中；
S13：将S12中溶液转移到喷枪中，并喷涂在清洁后的PTFE薄膜上；
S14：将三甲基氧硅烷喷涂在干燥后的上述膜上，在100℃干燥24小时；
进一步的，所述PTFE可替换为：PVC、PAN、PVDF或PDMS；
进一步的，所述S2包括：
S21:准备好若干根5cm长的碳纤维；
S22：用镊子将碳纤维放入盛有复合活性物溶液的样品瓶中，充分浸泡24h，使复合活性物附着在碳纤维表面；
S23：将上一步浸泡的碳纤维取出进行烘干处理，温度设置为60℃，烘干约10min，完成第一次附着处理；
S24:重复5次S22和S23的复合活性物附着处理，保证了碳纤维上有充足的活性物质；
S25：加热PVA/H2SO4固态电解液使之黏度降低，呈流体状；
S26：用完成第5次附着处理的碳纤维电极蘸取PVA/H2SO4电解液，并晾干12h，此步骤重复两次，使电解液将电极充分包裹；
S27：取两根上一步晾干好的碳纤维电极，并进行封装处理；
进一步的，所述PVA/H2SO4可替换为：PVA/KOH或PVA/Na2SO4；
本发明的有益效果如下：
1）通过将水能摩擦纳米发电机和纤维性超级电容器进行自充电能量系统的组装实现了水能到电能的转化与存储；
2）为了增加储存性能，首先将四个已经组装好的纤维性超级电容器串联在一起。将纤维型超级电容器组和摩擦纳米发电机进行组装，考虑到整个器件的防水性，用PDMS进行封装，组成联合器件即一个自充电能量系统，该器件具有良好的柔性、自清洁性能；
3）结构简单、成本低廉，其可以收集生活中的水流相关能量，可广泛应用于建筑、衣物或一系列需要提供能量的场合，有望对智能家居、可穿戴电子设备供能，有很大的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述自清洁自充电能量系统结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
如图1所示，自清洁自充电能量系统包括：自清洁摩擦纳米发电机、纤维型超级电容器，自清洁摩擦纳米发电机设置于纤维型超级电容器之上，自清洁摩擦纳米发电机包括的功能薄膜层是一种疏水疏油薄膜1，PTFE摩擦主体2，电极为铝电极3；纤维型超级电容器4由附着有复合活性物的电极和固态电解质组成，本发明通过将自清洁摩擦纳米发电机和纤维型超级电容器的集成实现了自清洁型自充电能量系统的制备，功能薄膜的使用发挥了自清洁的作用，增加了器件的实际使用便利。
一种疏水疏油薄膜的制造方法，包括如下步骤：
a.将硅粉颗粒分散入溶剂中；
b.将溶液转移到喷枪中，并喷涂在清洁后的PTFE薄膜上；
c.将三甲基氧硅烷喷涂在干燥后的上述膜上，在100℃干燥24小时将聚四氟乙烯（PTFE）乳液（60%）按比例稀释，混合均匀待用；
上述步骤按顺序执行。
一种纤维型超级电容器的制造方法，包括如下步骤：
a.准备好若干根5cm长的碳纤维；
b.用镊子将碳纤维放入盛有复合活性物溶液的样品瓶中，充分浸泡24h，使复合活性物附着在碳纤维表面；
c.将上一步浸泡的碳纤维取出进行烘干处理，温度设置为60℃，烘干约10min，完成第一次附着处理
d.再次重复第三步和第四步的实验步骤，重复三次，总共完成5次复合活性物附着处理，保证了碳纤维上有充足的活性物质；
e.加热PVA/H2SO4固态电解液使之黏度降低，呈流体状；
f.用完成第五次附着处理的碳纤维电极蘸取PVA/H2SO4电解液，并晾干12h，此步骤重复两次，使电解液将电极充分包裹；
g.取两根上一步晾干好的碳纤维电极，并进行封装处理。
本发明的有益效果在于，通过将水能摩擦纳米发电机和纤维性超级电容器进行自充电能量系统的组装实现了水能到电能的转化与存储。为了增加储存性能，首先将四个已经组装好的纤维性超级电容器串联在一起。将纤维型超级电容器组和摩擦纳米发电机进行组装，考虑到整个器件的防水性，用PDMS进行封装，组成联合器件即一个自充电能量系统，该器件具有良好的柔性、自清洁性能。该器件期望可以将摩擦纳米发电机收集到的电能储存到纤维性超级电容器中，但是摩擦纳米发电机产生的是交流电，需要经过处理即通过电桥将交流电转换为直流电。这种能量系统的结构简单、成本低廉，其可以收集生活中的水流相关能量，可广泛应用于建筑、衣物或一系列需要提供能量的场合，有望对智能家居、可穿戴电子设备供能，有很大的应用前景。
Claims (10)
1.一种自清洁自充电能量系统，其特征在于，所述自充电能量系统可通过具有疏水疏油双疏表面的水能摩擦纳米发电机将水能转化为电能，并将转换的能量存储在纤维型超级电容器中的，同时所述自充电能量系统具有自清洁功能。
2.根据权利要求1所述的自清洁自充电能量系统，其特征在于，所述自清洁自充电能量系统包括自清洁摩擦纳米发电机和纤维型超级电容器，所述自清洁摩擦纳米发电机设置于纤维型超级电容器之上。
3.根据权利要求2所述的自清洁自充电能量系统，其特征在于，所述自清洁摩擦纳米发电机包括摩擦层和功能薄膜层，所述摩擦层使用PTFE，以Al薄膜做电极，所述功能薄膜层位于PTFE表面。
4.根据权利要求3所述的自清洁自充电能量系统，其特征在于，所述功能薄膜层为一种疏水疏油薄膜。
5.根据权利要求2所述的自清洁自充电能量系统，其特征在于，所述纤维型超级电容器由附着有复合活性物的电极和固态电解质组成。
6.一种自清洁自充电能量系统的制造方法，基于上述权利要求1-5之一所述的自清洁自充电能量系统，其特征在于，所述制造方法包括：
S1：制备自清洁摩擦纳米发电机的摩擦层和功能薄膜层；
S2：制备纤维型超级电容器；
S3：将四个S2中制备的纤维性超级电容器串联在一起；
S4：将S1中制备的清洁摩擦纳米发电机设置在纤维型超级电容器上，并用PDMS进行封装。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述S1包括：
S11：使用PTFE作为摩擦层，并以Al薄膜做电极；
S12：将硅粉颗粒分散入溶剂中；
S13：将S12中溶液转移到喷枪中，并喷涂在清洁后的PTFE薄膜上；
S14：将三甲基氧硅烷喷涂在干燥后的上述膜上，在100℃干燥24小时。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述PTFE可替换为：PVC、PAN、PVDF或PDMS。
9.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述S2包括：
S21:准备好若干根5cm长的碳纤维；
S22：用镊子将碳纤维放入盛有复合活性物溶液的样品瓶中，充分浸泡24h，使复合活性物附着在碳纤维表面；
S23：将上一步浸泡的碳纤维取出进行烘干处理，温度设置为60℃，烘干约10min，完成第一次附着处理；
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S26：用完成第5次附着处理的碳纤维电极蘸取PVA/H2SO4电解液，并晾干12h，此步骤重复两次，使电解液将电极充分包裹；
S27：取两根上一步晾干好的碳纤维电极，并进行封装处理。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述PVA/H2SO4可替换为：PVA/KOH或PVA/Na2SO4。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180105 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |