[发明专利]用于将机械能转化为电能的摩擦纳米发电机及其制备方法

说明书

本发明涉及一种用于将机械能转化为电能的摩擦纳米发电机及其制备方法，制备方法为：按顺序将柔性衬底层I、电极材料层I、电负性摩擦层、电正性摩擦层、电极材料层II和柔性衬底层II封装后，将最外侧的两柔性衬底层通过弹性材料连接使得电负性摩擦层和电正性摩擦层间距排列制得摩擦纳米发电机；电负性摩擦层是通过在气凝胶表面自组装摩擦电负性物质制得的。制得的用于将机械能转化为电能的摩擦纳米发电机，包括电负性摩擦层和电正性摩擦层，电负性摩擦层主要由自组装摩擦电负性物质的纳米纤维构成。本发明的制备方法简单，制得的产品成本低廉，对微小的生物机械能的灵敏度高，电输出性能优异，在自供能传感和可穿戴领域有着良好的应用前景。

技术领域

本发明属于微纳能源及摩擦纳米发电机技术领域，涉及一种用于将机械能转化为电能的摩擦纳米发电机及其制备方法，具体涉及一种能将微小的生物机械能转化为电能的气凝胶基摩擦纳米发电机及其制备方法。

背景技术

近年来，电子产品已经广泛应用于环境保护、通信传感及健康监测等诸多领域，因此需要大量的电池以维持其持续使用。然而普通电池的循环使用寿命短的问题仍未得到有效解决，此外，废旧电池还会带来环境问题，因此寻找一种可再生、可持续且成本低的生电装置以缓解这一问题是当前行业及市场的迫切需求。在众多新能源技术中，摩擦纳米发电机由于其基于摩擦生电和静电感应的耦合作用能将不规则的机械能转换为电能，具有制作工艺简单、能量转换效率高及经济环保等优点，被认为是一种清洁且有前景的解决方法。

摩擦纳米发电机的应用受其电输出性能的影响，而其电输出性能与摩擦层材料在接触分离时所产生的电荷量成正比。为扩大电荷量，除选择合适基础材料外，摩擦层材料的接触面积及起电特性直接影响其能量转化效率。考虑到人类日常穿着的服装纤维材料以热塑性高聚物纤维为主，如果能够合理利用此类材料与服装的相容特性，将其用作摩擦纳米发电机，则在实际应用时可以将人们日常穿着所产生的微小能量转化为电能，构筑自供能可穿戴设备。然而摩擦纳米发电机通常所采用的聚合物膜需要通过物理或化学刻蚀的方法形成微纳结构，以增大摩擦层材料间的接触面积。气凝胶具有比表面积大、孔隙率高且机械性能较好的特点，在摩擦纳米发电机中引入多孔三维网络热塑性纳米纤维气凝胶一方面可降低材料表面微纳米加工难度，另一方面，提高了接触分离时摩擦层间的接触面积，改善器件的电荷转移效率，提升器件的电输出性能。此外，大多数热塑性高聚物均带有特定的功能基团，利于对其进行功能性改性以改善材料的起电特性，从而大大提高材料表面的电荷密度即提高电输出性能。目前常用的摩擦电负性物质多为含氟分子等，其应用的手段为以摩擦电负性物质浇筑膜刻蚀纳米结构或直接静电纺制纳米纤维，该方法虽然能够制得比表面积大且电输出性能较强的电负性摩擦层，但其应用范围受限，部分摩擦电负性物质难以制成纳米纤维，其电输出性能仍然有进一步提升的空间。

因此，开发一种应用范围广且电输出性能强的摩擦纳米发电机极具现实意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术应用范围受限且电输出性能仍然有进一步提升空间的缺陷，提供一种应用范围广且电输出性能强的摩擦纳米发电机。本发明通过在热塑性纳米纤维表面自组装摩擦电负性物质制得电负性摩擦层，从而设计构筑高电输出性能的摩擦纳米发电机，可用来将人体运动时产生的不规则且微小的生物机械能转化为电能，为可穿戴设备持续供电。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

用于将机械能转化为电能的摩擦纳米发电机的制备方法，按顺序将柔性衬底层I、电极材料层I、电负性摩擦层、电正性摩擦层、电极材料层II和柔性衬底层II封装后，将最外侧的两柔性衬底层通过弹性材料连接使得电负性摩擦层和电正性摩擦层间距排列制得摩擦纳米发电机；

所述电负性摩擦层是通过在气凝胶表面自组装摩擦电负性物质制得的；

所述电负性摩擦层的制备步骤如下：