[发明专利]一种多层电极叠加的微型摩擦纳米发电机

说明书

一种多层电极叠加的微型摩擦纳米发电机(TENG)，由上摩擦极板、下摩擦极板及其各自背负的多层电极组成。上摩擦极板以表面粗糙的硅胶片作为得电子摩擦材料，下摩擦极板以表面蚀刻的聚左旋乳酸(PLLA)/氧化镁(MgO)晶须复合薄膜作为失电子摩擦材料。本发明的优点是：在一定的尺寸(4cm×4cm)范围内，利用电场的边缘效应，通过增加电极的数量，由层层电极叠加方式有效增强TENG的输出电流,且制备方法简单，易于满足微型化的要求。

技术领域：

本发明属于纳米发电机领域，涉及将机械能转变成电能的微型发电模式，特别是一种利用电场的边缘效应，通过增加电极的数量来提高其输出性能的微型摩擦纳米发电机(TENG)。

背景技术：

摩擦起电是一种生活中很常见的现象，古希腊人和古代中国人发现摩擦后的琥珀能够吸引小而轻的物体。由于这种电能产生的随机性和存储问题，使之一直被视为无用的能源而未能得以发展，并且由于其存在的负面影响，人们一直在寻找和改进怎样去避免和消除它的方法。近年来，随着材料制备技术的进步，收集和存储环境中“无用”的能量，使之成为小型电子设备的能源已经成为可能。随着2006年美国佐治亚理工学院王中林教授发明的纳米发电机的问世，它完全颠覆了人们对传统电磁发电模式的认识，利用压电效应、热电效应、热释电效应、光电效应、摩擦起电效应等产生电能，从而实现了环境中的各种能量向电能的高效转化。这一具有划时代和颠覆性意义的能源技术与传统的发电模式相比，具有完全不同的发电原理和工作模式，成为具有互补特色的绿色能源。其中，TENG更以其结构简单，易于大规模工业化生产而显示了广阔的应用前景。

一直以来，研究者们普遍认为影响TENG输出性能的关键因素是摩擦材料的种类及其表面状态。近年来，包括申请人在内的一些课题组探索不同的对摩材料，尝试通过摩擦材料的表面图案化、纳米化和化学改性，或者通过增加摩擦极板的数目来提高TENG的输出功率。

在表面图案化方面，研究者设计一些微纳米尺寸椎体、圆柱体图案的表面结构来增加摩擦极板相互接触的摩擦面积，使其增加了摩擦电荷数量，从而提高了其输出性能。在化学改性方面，对于不同的低聚合物进行表面化学改性，包括表面氟化处理，离子注入，顺序渗透合成和分子靶向功能化等，这些都通过提高摩擦聚合物的表面电荷密度来提高TENG的输出性能。而机械地增加摩擦极板的数量就相当于增加了相对摩擦面积，因而其产生的电荷量也会增加。并且，随着摩擦极板数的增多，其输出性能也会持续增强。然而，进行表面纳米化或者化学改性等的技术后采取的增加摩擦极板的数目或者增大摩擦面积的方法，虽然增大TENG输出功率的效果明显，但制作工艺过程比较繁杂、工作量大，而且要达到一定的电流电压可能需要比较大的摩擦面积。

本着TENG微型化的思想，为了在摩擦面积不变的前提下有效提高TENG的功率，我们进行了大量的研究。

发明内容：

本发明的目的是解决目前通过增加摩擦面积来提高其输出电流时装置体积比较大的问题，利用电场的边缘效应，提出一种新的多层电极叠加的微型摩擦纳米发电机，通过增加电极的数目来增强微型TENG输出性能的方法，该结构的TENG，不仅所需材料少，制作简单，更微型化，而且对TENG输出功率的改善十分有效。

本发明的技术方案：