[发明专利]一种自清洁自充电能量系统及其制造方法

说明书

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/Na₂SO_4；

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；