[发明专利]一种有机铁电纳米纤维增强的摩擦纳米发电机及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种有机铁电纳米纤维增强的摩擦纳米发电机及其制备和应用。该发电机包括：在弹性保护层(1)的一侧从上而下依次设有上电极层(2)、内有机铁电纳米纤维层(3)、第一聚合物摩擦层(4)，在弹性保护层(1)的另一侧从上而下依次设有第二聚合物摩擦层(同时为外有机铁电纳米纤维层)(5)、下电极层(6)，外力作用下弹性保护层(1)的两侧发生接触分离，从而向外输出交流电。该制备利用静电纺丝高压静电场对铁电纳米纤维的极化作用，达到纺丝‑极化一体化的效果，简化了铁电材料的制备和极化工艺；通过添加两层有机铁电纳米纤维层，能使电学输出性能成倍上升，增益效果明显，为可穿戴电子设备的供电提供了一种可行方案。

技术领域

本发明属于发电机及其制备和应用领域，特别涉及一种有机铁电纳米纤维增强的摩擦纳米发电机及其制备方法和应用。

背景技术

随着柔性可穿戴电子器件的飞速发展，人们对电子产品的用户体验提出了越来越高的诉求，解决柔性器件的自供能问题就显得尤为重要。2012年美国佐治亚理工学院的王中林院士利用摩擦起电和静电感应的耦合原理，发明了世界上第一台摩擦纳米发电机。这种发电机可以收集日常的行走、雨滴的拍打、海浪的翻滚等各种环境中无规则的低频机械能。然而，目前摩擦纳米发电机的输出电流通常在纳安、微安数量级，难以持续有效地为可穿戴设备供电。因此，如何增大摩擦纳米发电机的输出电流，提高其输出功率是当前研究的热点。

提高摩擦纳米发电机输出功率的研究主要包括以下几个方面：①选择合适的摩擦材料，提高两种材料在接触时电荷的转移量(Seung W,et al.Advanced EnergyMaterials,2017,7(2):1600988.)；②在摩擦材料表面生长各种微纳结构，增大摩擦材料的表面粗糙度和比表面积(CN 104779832 A；CN 107623459 A)；③合理设计摩擦纳米发电机的结构，增加摩擦单元的数量(CN 105490578 A)。但这些提高输出的方法往往会提高材料的成本，增加制备工艺的复杂程度，使得器件结构变得繁琐，难以大规模产业化应用。

专利CN 109149992 A提出了一种改进型摩擦纳米发电机，利用铁电材料实现了摩擦纳米发电机输出性能的大幅提升，但其铁电材料的制备和极化工艺复杂。文献Yu B,NanoEnergy,2017,34:69-75.报道了一种以静电纺丝制备的纳米纤维毡作为摩擦极性材料，利用纳米纤维的高比表面积和良好的电子转移性能，为提高摩擦纳米发电机的功率输出提供了新思路。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种有机铁电纳米纤维增强的摩擦纳米发电机及其制备和应用，以克服现有技术中提高摩擦纳米发电机输出功率成本高、工艺复杂等缺陷。

本发明提供了一种有机铁电纳米纤维增强的摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机包括：在弹性保护层的一侧从上而下依次设有上电极层、内有机铁电纳米纤维层、第一聚合物摩擦层，在弹性保护层的另一侧从上而下依次设有第二聚合物摩擦层、下电极层；所述第二聚合物摩擦层同时为外有机铁电纳米纤维层；在外力作用下弹性保护层的一侧与另一侧能够闭合，使第一聚合物摩擦层和第二聚合物摩擦层发生接触，外力撤去后，在所述弹性保护层回弹力的作用下，第一聚合物摩擦层和第二聚合物摩擦层发生分离。

所述弹性保护层采用弹性布料或弹性胶带，起到保护和回弹作用。

所述上电极层和下电极层选用导电性能良好的材料。

所述上电极层和下电极层均采用导电薄膜，所述导电薄膜材料选自铜箔、铝箔、金箔或铟锡金属氧化物。

所述内有机铁电层选用常见的铁电聚合物材料，如聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯三氟乙烯共聚物、尼龙5、尼龙7或尼龙11。

所述第一聚合物摩擦层选用捕获电子能力弱的材料，如尼龙、羊毛、丝绸、再生海绵或纸。

所述第二聚合物摩擦层(同时为外有机铁电纳米纤维层)选用捕获电子能力强的铁电材料，如聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物。