[发明专利]一种基于多层结构的俘能/储能一体化微纳电池

说明书

本发明公开了一种基于多层结构的俘能/储能一体化微纳电池，它主要包括两部分：位于上方的俘能结构和位于下方的储能结构。其中俘能结构由两片长条形柔性电极通过反复对折构建而成，其中一片长条形柔性电极是底电极，它是铜/工业化液晶聚合物/铜三层复合结构；另外一片柔性电极是对电极，它是驻极体/铜/工业化液晶聚合物/铜/驻极体五层复合结构。其工作原理是静电感应：通过向驻极体聚合物薄膜中预植入电荷使其产生一个偏置电压，当外部振动导致两个电极有相对位移时，电容变化使两个电极发生电荷重组，从而把外部环境中的机械能转化成电能，同时借助在柔性基底上构建的二维平面储能结构实现能量的原位存储。本发明具有输出性能好、结构简单、体积小、重量轻、具有很好的长期耐用性和优异的灵活性等特点。

技术领域

本发明涉及的是一种微能源领域的能量转化/储存新型结构，具体是一种基于多层结构的俘能/储能一体化微纳电池。

背景技术

当今社会一个显著的科学技术发展浪潮是物联网技术(IoT)和可穿戴/便携式电子产品在通讯、国防、建筑、生物医疗和环境检测的广泛应用。寻找便宜、易于携带和可持续的能源为这些产品供电是一个迫切需要解决的问题，同时对于持续改善我们的生活品质也具有重大意义。作为自持式电源的微型振动俘能器能够把周围环境中的振动能转化为电能从而为微型元器件供电，无疑是一种很有潜力的研究领域。驻极体，又叫“永电体”，是指一种介电材料在受到外电场作用或离子注入后，产生极化或电荷存留不随外电场去除而完全消失，实现极化电荷“永久”存在于电介质表面和体内的现象。因此，驻极体能作为一个永恒的偏置电压应用于静电能量转化系统中。基于驻极体的静电式能量采集器具有体积小、低成本、易于制备和良好的稳定性等优点，能与逐步微型化的物联网节点和其他无线电子器件更好地结合在一起，使其适合于特殊环境的使用要求，因此有广泛的应用前景。

然而，当前绝大多数基于驻极体的静电式俘能器都是基于硅微加工技术，虽然这有利于规模性生产，但是由于硅材料的脆性，很难应用于柔性和可穿戴设备。另外，微型俘能器通常需要长期循环工作，然后在特定的时间段释放能量，以完成对微型传感器或射频器件的供电功能，如何实现能量的原位储存和及时释放是一个亟需解决的问题。当前最先进的MEMS尺度能量收集器的输出功率仍然处于nW到μW级别，这限制了它们在我们日常生活中的应用范围。并且这些俘能系统多是谐振系统，这也带来了工作频率单一和频带宽度过窄的问题。例如Kai Tao等人在“Design and implementation of an out-of-planeelectrostatic vibration energy harvester with dual-charged electret plates”(Microelectronic Engineering,2015,135,32-37)(中文题目“一种利用双电荷驻极体的面外振动静电式俘能器”国际期刊：微电子工程)报道了一个基于硅微加工面外运动的驻极体静电俘能器。它在0.5g的激励下在本征频率66Hz时实现了0.34μW的输出，由于引入了非线性，其频带宽度从2.5Hz拓展到了6.5Hz，但是由于它是基于硅基的谐振系统，其相对固定的频率和较低的输出性能使其很难应用于柔性和可穿戴设备，需要进一步探索灵活和耐用的能量转换装置。最近，Po-Kang Yang等人在“Paper-based origami triboelectricnanogenerators and self-Powered pressure sensors”(ACS nano,2015,9(1):901-907)(中文题目“折纸摩擦电纳米发电机和自供电压力传感器”国际期刊：ACS纳米)提出了一种基于单电极的折纸纳米摩擦发电机。它利用剪纸和黏结将纸制作成螺旋弹簧结构，然后在纸的一面制备纳米结构用于摩擦发电，另外一面制作成电极用于电能输出，从而实现一个单电极的能量收集装置。然而，由于电荷的产生主要依赖于摩擦起电，其性能受制于有限的表面电荷密度，并且工作于单电极模式，造成能量转化效率有限；并且过程很复杂，需要表面纳米结构，经过长期的使用和反复的摩擦，表面纳米结构的磨损和失效也是一个很大的挑战；由于只有一个电极，不能实现储能的柔性一体化集成，无法实现电能的原位存储。

发明内容