[发明专利]使用基于碳纳米管(CNT)的电极的能量收集设备

说明书

背景技术

传统上，在由例如化石燃料、核裂变或流水产生动力的大型集中式电厂产生电力。例如，这种大规模发电的输入燃料要求石油或煤炭，而这可能并非在世界上的所有地方都易于利用。

由于世界范围自然资源的逐渐减少，从现有环境资源进行能量收集或能量提取开始吸引关注。能量收集是一种从外部源(例如，太阳能、热能、风能、盐度差和动能)得到、捕获和/或储存能量的一种过程。与传统的发电厂不同，能量收集装置所用的燃料是自然存在的。例如，由于内燃机操作而存在温度梯度，并且在城市地区，由于无线电和电视广播，在环境中存在大量的电磁能。因此，诸如太阳、风力和潮汐之类的大规模环境能量是广泛可用的；然而这些能量不能够以高效率或者低成本来有效捕获。

一些类型的通过环境能量供以燃料的能量收集装置即便不能够产生足够的能量来执行机械工作，但也可以产生少量动力。利用环境机械振动来产生可持续动力源可以在太空和外部空间具有若干应用，例如在环境机械振动丰富的地方。例如，可以实施的其他应用包括使用提取的能量向远程无线传感器(可应用于结构健康监测(SHM))供电，以及向微机电系统(MEMS)供电。另外，能量收集在应用于小型无线自动设备时可能是有用的，这样的设备例如可佩戴电子设备和无线传感器网络中所使用的那些设备。

发明内容

在一个方面，描述了一种基于传感器的能量收集设备。该基于传感器的能量收集设备包括：离子聚合物-金属复合结构(IPMC)薄膜，包括第一和第二表面；以及金属电极，耦合至第一和第二表面。金属电极包括在环氧树脂系统中匀质散布的碳纳米管(CNT)以形成CNT-环氧电极涂层，并且CNT-环氧电极涂层实质上均匀地散布在第一和第二表面上。当IPMC薄膜经受弯曲运动时，在金属电极之间产生电势。

在另一方面，提出了一种基于传感器的能量收集设备，包括：离子聚合物-金属复合结构(IPMC)薄膜，包括第一和第二表面，第一层金属电极，实质上均匀地散布在第一表面上；以及第二层金属电极，实质上均匀地散布在第二表面上。第一层和第二层之一包括在环氧树脂系统中匀质散布的碳纳米管(CNT)以形成CNT-环氧电极涂层。当IPMC薄膜经受弯曲运动时，在金属电极之间产生电势。

在再一方面，提出了一种形成基于传感器的能量收集元件的方法。基于传感器的能量收集元件是一种当经受弯曲运动时在能量收集设备的电极之间产生电势的能量收集元件。该方法包括：对离子聚合物-金属复合结构(IPMC)薄膜进行热处理，将掩模放置到IPMC薄膜的第一表面的一部分和第二表面的一部分上，以及在IPMC薄膜的第一表面和第二表面上沉积金属电极涂层以形成实质上均匀的电极涂层。金属电极涂层包括在环氧树脂系统中匀质散布的碳纳米管(CNT)以形成CNT-环氧电极涂层。该方法还包括从IPMC薄膜的第一表面和第二表面去除掩模。

以上概述只是说明性的而不是意欲按照任何方式进行限制。除了上述说明性的方面、实施例和特征之外，另外的方面、实施例和特征通过参考附图和以下详细描述将变得清楚明白。

附图说明

图1A示出了示例能量收集元件的侧视图。

图1B示出了能量收集元件的另一示例的侧视图。

图2A是未使用的能量收集元件的表面的光学显微图。

图2B是在电解质中机械弯曲变形25,000次之后图2A的表面的光学显微图。

图3是示出了使用纳米管制备能量收集设备的示例步骤的流程图。

图4示出了针对不同直径的CNT的能带隙的示例变化的曲线。

图5示出了用于分析示例能量收集设备的输出电能密度的示例实验装置。

图6A和6B示出了在施加连续的周期性机械弯曲变形60,000循环的时间段上通过示例能量收集设备产生的电压的时间历史。

图7是示出了针对不同的金属电极在含水条件下通过示例能量收集设备产生的能量密度的曲线。

图8是经受60,000次机械弯曲变形由涂覆CNT的能量收集设备和涂覆银的能量收集设备产生的最大功率密度的比较的曲线。

图9是以对数坐标示出了在多次使用循环之后涂覆CNT电极的聚合物和涂覆银电极的聚合物的最大功率密度的曲线。

图10示出了示例能量收集系统。

具体实施方式