[发明专利]纸基的高性能摩擦纳米发电机

说明书

本发明公开了一种纸基的高性能摩擦纳米发电机。该摩擦纳米发电机采用的是具有一定支撑功能的拱形结构，包括：摩擦电极、感应电极、支撑结构以及导线。所采用的材料有办公用的A4纸、导电铜胶带、特氟龙胶带、导线等，都是生活中比较常用的廉价物品。该装置可以将环境中以振动形式存在的机械能以及人体运动产生的机械能转化为电能，为微小的电子元器件供电，同时可以广泛的应用到物联网领域，用于无障感知。该发明属于纳米能源领域。

技术领域

本发明纸基的高性能摩擦纳米发电机，用于收集环境中由于机械振动以及人体运动产生的机械能，在微系统领域也有较大的应用前景，该发明属于纳米能源领域。

背景技术

近几十年来，全球变暖和能源对人类生活的影响越来越大，尤其当电子设备和系统丰富了人们的日常生活以后，寻找一种绿色，低碳的能源成为了一个巨大的挑战。由于移动便携式可穿戴电子设备的快速发展和普及，电池数量急剧增加，然而，传统电源对电池回收和更换以及潜在的环境污染问题带来了危害。所以，寻找一种自供电的装置对于电子产业的发展有着巨大的吸引力。自然界中有着许多蕴藏着巨大能量的微能源，如潮汐能，微风能，声波能量，人体运动的机械能等，这些能量是可以收集和利用的。然而，由于微能源的频率低，像电磁发电机这样的传统技术，不能达到高效，可持续的能量收集能力。因此，寻找一种能量转换的方式来获取这些微能将对人们的生活产生巨大的积极影响。

幸运的是，在2012年，一种新兴的能量收集装置---摩擦纳米发电机被开发出来，并且已经被证明是一个具有高效的能源转化装置。摩擦纳米发电机的工作原理是基于两种具有相反摩擦电极的不同材料的周期性接触和分离，这两种材料通过将两个摩擦电层的机械运动转换成电位差可驱动电子在外电路中来回流动。同时，对于材料的要求也不是很严格。目前，许多研究人员使用各种材料制造摩擦纳米发电机，例如高分子聚合物，金属材料等。开发了多种提高输出性能的技术，包括堆叠结构，增加表面粗糙度，以及与电磁发电相结合的混合型发电机等。然而，高昂的材料成本和复杂的制造仍然阻碍了摩擦纳米发电机的发展和应用。

最近，一种新的基于折纸的摩擦纳米发电机被开发出来，与以往不同的是，纸不仅作为支撑结构，而且作为摩擦电极。这种折纸发电机的开路电压可达20V，短路电流为2μA，相应的峰值功率密度约为0.14W/m²。后来，又有学者创新性地提出了一种由石墨铅笔涂覆的高导电石墨层形成的纸基摩擦纳米发电机，其峰值功率密度约为39.8μW/cm²。纸基发电机的出现开启了一个绿色，低成本，自驱动的能源之路。然而，作为提供能源的装置，摩擦纳米发电机的输出功率密度一直是衡量其实用价值的标准之一。因此，摩擦纳米发电机的实际应用还有很长的路要走，首要的挑战之一是提高输出电压，输出电流，输出功率密度等输出性能。

在这项工作中，我们首先使用导电铜箔作为导电电极，并在传统纸基摩擦纳米发电机的基础上提出了一种高性能的纸基摩擦纳米发电机。本发明将纸和特氟龙胶带作为摩擦电极，并将纸张作为支撑结构。所有用于摩擦纳米发电机制备的材料，包括纸卡，铁氟龙胶带和导电铜箔都是低成本的。并且通过随机的人体运动(即手指敲打)来研究摩擦纳米发电机的电学特性。经过实验检测，其最大功率密度高达300μW/cm²，另外，本发电机可以直接点亮27个商业发光二极管(LED)。这项工作使得纸基摩擦纳米发电机与其实际应用更接近，促进了绿色电子的发展。此外，可以扩大纸质摩擦纳米发电机的应用范围，涵盖更多的学术领域。在柔性电子，可穿戴电子，生物医学，物联网无障碍感知等领域都具有巨大的潜在应用价值。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，开发一种廉价的纸基摩擦纳米发电机，可用于收集环境中由于机械振动以及人体运动产生的机械能，例如按压，拍打等。

本发明具体技术方案如下：

一种纸基的高性能摩擦纳米发电机，包括支撑结构、摩擦电极、感应电极、保护层部分以及导电装置；