[发明专利]基于四氯化锡/改性聚乙烯醇薄膜的摩擦纳米发电机及制备方法和应用

说明书

本发明属于摩擦纳米发电机技术领域，具体涉及基于四氯化锡/改性聚乙烯醇薄膜的摩擦纳米发电机及制备方法和应用。所述纳米发电机由接触分离模式部分和侧向滑动模式部分组成，以SnCl₄改性PVA薄膜和金属网基底的PTFE喷涂型薄膜作为发电层，接触分离模式部分和侧向滑动模式部分协同工作，将环境中的机械能转化为电能。所述纳米发电机应用于摩擦发电运动检测系统，所述摩擦发电运动检测系统可用于检测人体不同关节处运动特征。本发明提出的这种摩擦发电运动检测传感器具有更快的响应速度和更好的运动强度分辨力，通过摩擦纳米发电机把外部机械刺激转化为对应强度的电脉冲，不需要电池供电，避免传感器对电池电源的依赖。

技术领域

本发明属于摩擦纳米发电机技术领域，具体涉及基于四氯化锡/改性聚乙烯醇薄膜的摩擦纳米发电机及制备方法和应用。

背景技术

随着柔性穿戴电子设备、无线传感器节点和可植入设备的发展，诸多领域对能够提供毫瓦/微瓦级能量输出的能量收集器件提出了很大的需求。近年来，各种能量收集技术层出不穷。业界正在开发更小、更适合的能量收集装置，其中很多技术利用机械运动来产生电能。例如，静电驻极体、压电发电、电磁发电和摩擦电发电等。近年来，基于摩擦起电效应和静电感应相结合的摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerator，TENG)，因其具有体积小、能将运动等机械能转化为电能输出的巨大潜力而备受青睐。

摩擦纳米发电机作为一种能量产生单元，在其内部的电路中，由于摩擦起电效应，两个摩擦电极性不同的摩擦材料薄层之间会发生电荷转移而使得二者之间形成一个电势差；在外部电路中，电子在电势差的驱动下在两个分别粘贴在摩擦电材料层背面的电极之间或者电极与地之间流动，从而来平衡这个电势差。摩擦纳米发电机的动力源既可以是已被人们认识的风力、水力、海浪等大能源，也可以是人的行走、身体的晃动、手的触摸、下落的雨滴等常被人忽视的环境随机能源，还可以是车轮的转动、机器的轰鸣等。

基于摩擦电的能量收集器——摩擦纳米发电机的四种基本工作模式：垂直接触-分离模式、侧向滑动模式、单电极模式、独立层模式。摩擦纳米发电机具有能量转换效率高、制造容易、成本低和功率密度高的特点。尽管如此，摩擦纳米发电机也面临着技术挑战。因此，需要不断改进摩擦纳米发电机的结构设计，实现多种工作模式协同，显著提升摩擦纳米发电机的输出性能，并将其更广泛地应用于实际场景，包括规模化LED阵列照明、负载器件自供电、运动监测等等。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于四氯化锡/改性聚乙烯醇薄膜的摩擦纳米发电机及制备方法和应用，利用SnCl₄改性PVA薄膜和金属网基底的PTFE喷涂型薄膜作为摩擦纳米发电机的发电层，把接触分离模式和侧向滑动模式统一整合，使得TENG可以同时在这两种模式下协同工作，将环境中的机械能转化为电能；进而基于接触分离模式设计了摩擦电传感器，针对不同关节处的检测特点而进行目标化设计，实现了对手指弯曲、手腕弯曲、肘部运动、膝盖弯曲和踩踏行为的准确检测。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：基于SnCl₄改性PVA薄膜的摩擦纳米发电机，其特征是：所述纳米发电机由接触分离模式部分和侧向滑动模式部分组成，以SnCl₄改性PVA薄膜和金属网基底的PTFE喷涂型薄膜作为发电层，接触分离模式部分和侧向滑动模式部分协同工作，将环境中的机械能转化为电能。

本发明进一步的技术方案，所述接触分离模式从上到下依次为支撑板、海绵缓冲层、金属网电极、PTFE喷涂层、PVA-SnCl₄改性薄膜、金属箔电极、海绵缓冲层和支撑板。

本发明进一步的技术方案，所述侧向滑动模式设有两组，对称分布在接触分离模式部分的两侧，每组侧向滑动模式上均设有四组相同的发电模块；

或，所述发电模块从内向外依次为支撑板、海绵缓冲层、金属箔电极、PVA-SnCl₄改性薄膜、PTFE喷涂层、金属箔电极和支撑板。