[发明专利]一种高性能压电纳米发电机及其制备方法

说明书

本发明提供了一种高性能压电纳米发电机及其制备方法，该方法利用气凝胶的多孔结构促进力的传输进而加大形变，利用PDMS形成的鼓膜结构加强内部的振动，从而加强了压电效应，提高了纳米发电机的压电性能；本发明通过热压、骤冷、高压对压电材料进行了反复的激活，使其发生最大限度的极化，进一步的提高了该压电纳米发电机的性能；此外，本发明方法简单，性能优异，能够用于纳米发电机的大规模、工业化生产。

技术领域

本发明属于纳米发电机技术领域，特别涉及一种高性能压电纳米发电机及其制备方法。

背景技术

能源是人类赖以生存的根本，推动着现代社会的科技进步和经济发展。随着世界人口的急剧增加和全球经济的飞速发展，人类对于能源的需求越来越大，而作为目前最主要的能量来源的传统化石能源已经日渐匮乏，并且，化石能源的燃烧不可避免的会导致环境污染。为了解决化石能源枯竭带来的能源危机以及降低对环境的影响，开发新型的可再生清洁能源显得尤为重要。

对于新能源的利用，传统方法都是将能源转换为机械能，再将机械能通过发电机转化为电能，这样不可避免的在每次转换过程中产生能量损失，造成能量的损耗和转化效率的下降。为了克服这些不足，纳米发电机应运而生，它们能够收集环境中被浪费的各种形式的机械能，具有能量来源广泛、转换效率高、体积小、质量轻等优点。常用的纳米发电机有压电纳米发电机、热释电纳米发电机、摩擦电纳米发电机。其中压电纳米发电机由于其结构简单、能量转换效率高等优点受到了广泛的关注。

常用的压电材料有压电晶体、压电陶瓷和压电高分子，而由于压电纳米发电机常被用于一些可穿戴电子设备，对柔性的要求非常高，这是压电晶体和压电陶瓷等无机压电材料所不能满足的。因此，它们在压电纳米发电机领域的应用受到了很大的限制。而以聚偏二氟乙烯为代表的有机压电材料具有柔韧性好、密度低、阻抗低、压电系数高等优点，可以很好的满足压电纳米发电机对于柔性和压电性能的要求。

基于压电高分子的压电纳米发电机发展已经比较成熟，在为便携式电子设备包括LED灯和各种传感器设备供电方面取得了非常广泛的应用，但它仍存在一些问题，尤其是在能量转化效率方面还有待提高。传统方法制备的PVDF薄膜较为致密，在压电效应的作用下能够将外界的机械能转化为电能，但致密的PVDF膜对力的传输作用较弱，在一定压力下产生的变形量是十分有限的，而压电材料受力产生的形变大小直接影响到电荷转移的程度。因此，致密的PVDF薄膜对外界信号的响应较弱，将导致压电纳米发电机的能量转换效率不高。现有专利中有采用碱性溶液刻蚀方法来改善PVDF薄膜的相关技术，但该类方法仅能提升PVDF薄膜表面粗糙度，对薄膜性能改善不明显。

发明内容

有鉴于此，针对现有技术中存在的不足，本发明基于气凝胶法提供了一种高性能压电纳米发电机的工业化制备方法，该方法采用的材料来源广泛，环境友好，得到的产品性能优异。

本发明第一方面提供了一种高性能压电纳米发电机的制备方法，步骤包括：

S1、制备气凝胶：将生物质材料、压电材料以及溶剂经过溶胶-凝胶过程并干燥后获得气凝胶；所述溶剂能够溶解所述生物质材料且不溶解所述压电高分子材料；

S2、获取薄膜：加热加压使步骤S1所得气凝胶压成薄膜，并使压电材料产生极化；

S3、急速降温：将步骤S2所得薄膜放入液氮中骤然冷却使压电材料进一步极化；

S4、薄膜处理：用溶剂将步骤S3所得薄膜中的生物质材料洗掉，并进行干燥，得到多孔结构薄膜；

S5、旋转涂膜：在步骤S4所得多孔结构薄膜的两面分别旋涂PDMS，得三层薄膜；

S6、获取压电纳米发电机：在步骤S5所得三层薄膜两面粘贴电极，然后高压激活使压电材料完全极化，得到压电纳米发电机。