[发明专利]基于石墨烯/电活性聚合物薄膜的能量采集器

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种能量采集器，具体是涉及一种基于石墨烯/电活性聚合物薄膜的能量采集器。 

背景技术

当前，微电子技术已经使微器件的功耗降低到几十到几百微瓦的量级，随着微电子设备或微器件功耗的降低，将人体运动或环境中的振动能量转换为低功耗微型器件所需要的电能成为可能。因此，能量采集技术应运而生，即利用能量采集器从其周围环境中获取能量的技术。能量采集器的本质是利用静电、压电、电磁等物理或化学效应把器件周围环境中存在的热能、机械能、风能等能量转化为可使用的电能。各种无线传感器和低功耗微器件正不断地获得广泛应用，促使能量采集技术得到越来越多的重视。最常见的能量采集器是太阳能电池，能有效将太阳能转化为电能，为电子设备供电。然而，在阴雨天或没有阳光照射的地方，太阳能电池无法发挥作用。相对而言，以压电材料的压电效应作为换能器制作的压电式能量采集器因其具有结构简单、能量密度高、微纳加工工艺兼容性好等优势，获得广泛的关注。典型的压电式能量采集器是由末端带有质量块的PZT压电陶瓷悬臂梁构成的，韩国科技院Lee等[Synthetic Metals,2005,152,49-52]论证了PZT在高频周期振动下易发生疲劳破裂，柔韧性差，输出电压低，为克服压电陶瓷能量采集器的缺陷，提高效率，需开发更加柔性的压电材料用于能量采集。 

电活性聚合物作为一种新型高分子智能材料，因其独特的电学及机械性能而在智能传感、生物医疗、健康监控等领域的应用需求日益高涨。在电活性聚合物表面施加压力作用时因内部电畴的电偶极矩压缩而在其表面上产生电荷极化，可用于制作压电传感器和能量收集器等。该类材料具有非常卓越的柔韧性,具有较高的机电转换效率，易于成形且不易疲劳损坏。以高分子聚合物为主要结构材料,不仅重量轻、能耗低，生物兼容性优于半导体材料，而且加工工艺不需使用半导体加工设备，制造成本较低，是未来新一代能量采集器发展的一个重要方向。随着小型化及可穿戴、可折叠柔性电子器件概念的提出，在电活性聚合物薄膜上下表面制备柔性透明电极作为能量采集器件，环境友好，尤其适用于可穿戴织物、环境振动和人体运动等领域。氧化铟锡薄膜电极具有较好的电学特性及光学透明性，广泛用于器件电极制备，但该薄膜需高温下沉积或退火，且质地脆弱，2%应变将使得薄膜出现裂纹和电学性能损伤。石墨烯是单层碳原子紧密排列而形成的一种新型二维纳米材料，具有单层二维蜂窝 状晶格结构，是目前世界上公认的最薄的二维材料（厚度只有0.335nm）。石墨烯在室温条件下传递电子的速度比目前所有的导电材料快，电子迁移速率高达1.5×10⁵cm²/(V s)，为硅中电子迁移率的100倍，约翰逊噪声和闪烁噪声非常小，在薄膜电极等领域具有极大的技术优势。石墨烯薄膜制备大多采用化学气相沉积法（CVD），在衬底表面生长石墨烯，而后在上面制备电极；其它方法还有涂覆法和喷墨打印法，即先在衬底上制作电极，而后将石墨烯溶液涂覆或打印到电极之间。CVD方法要在高温下加入催化剂生长，工序复杂，同时效率低，设备依赖性强，不适用于电活性聚合物薄膜基体。涂覆法和喷墨打印法克服了CVD方法的缺陷，但薄膜制备的均匀性差，石墨烯与电极间的接触不牢固，涂布或打印区域选择性也难以精确控制。本发明采用静电诱导自组装方法在电活性聚合物薄膜基体上下表面制备石墨烯复合薄膜作为成对柔顺电极层，形成三明治结构柔性薄膜，电极锚区经金属电极引线与整流模块连接于一体构成柔性薄膜能量采集器，将人体运动能或风能转化为电能存储于超级电容器或提供给低功耗微电子器件。本发明提供了一种从生物运动或自然环境采集能量的方式，具有可裁剪为任意形状、结构简单、柔韧性好、环保透明等特点。 

发明内容

本发明针对上述能量采集器制备方法上的不足，构造了一种基于柔性薄膜的能量采集器，由电活性聚合物薄膜基体、石墨烯复合薄膜电极层、电极锚区、聚酰亚胺薄膜保护层构成，采用静电诱导自组装方法在电活性聚合物薄膜基体上下表面制作石墨烯复合薄膜作为成对柔顺电极层，形成三明治结构柔性薄膜，电极锚区经金属电极引线与整流模块连接于一体构成柔性薄膜能量采集器，将人体运动能或风能转化为电能存储于超级电容器或提供给低功耗微电子器件。 

所述能量采集器是以电活性聚合物薄膜为基体，包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯-全氟丙基乙烯基醚、聚四氟乙烯-六氟丙烯、及其以聚四氟乙烯为基的偏氟、四氟乙烯和六氟丙烯三元共聚物，或者上述聚合物复合薄膜。 

所述石墨烯复合薄膜电极层被覆于电活性聚合物基体上下两表面。