[发明专利]一种全纺织结构的复合能源器件及其制造方法

说明书

本发明涉及一种全纺织结构的复合能源器件及其制造方法，所述全纺织结构的复合能源器件包括基于三维间隔织物的摩擦发电机、基于三维间隔织物的超级电容器以及基于纺织纱线制备的导电纤维。本发明的全纺织结构的复合能源器件，制备包括两部分，首先以间隔织物为基底完成柔性摩擦发电机制备，再以相同的间隔织物为基底完成超级电容器的制备，最终将二者组装，完成一体式复合能源器件的制备。本发明统一使用三维间隔织物作为基底，实现一体化的摩擦发电机和超级电容器，集成结构统一，为可穿戴自供电器件提供一种新的设计思路。

技术领域

本发明属柔性电子器件技术领域，本发明涉及一种全纺织结构的复合能源器件及其制造方法。

背景技术

柔性电子在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景，日益受到人们的关注。所有的柔性电子设备都需要电源，传统的电源皆为刚性结构，非柔性的电源装置使得整个系统的可穿戴性受到了极大挑战。若要实现理想的可穿戴，就需要发展柔性、轻质、便携的能源转换或存储器件。众所周知，纺织材料具备天然的柔性和可穿戴性，基于纺织材料构建能源器件是使能源器件柔性化的理想策略之一。在过去的几年中，已有很多报道是以纺织材料为基材制备能源器件的，主要是以制备摩擦发电机和超级电容器为主。

尽管人们在开发柔性可穿戴摩擦发电机取得了越来越多的突破，器件性能越来越好，例如，Zhu等人(Nano Lett.2013,13,847)以聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜为摩擦材料，金电极作为另一摩擦材料，制备了垂直接触分离摩擦发电机；Seung等人(Acs Nano 2015,9,3501)在两片织物上结合不同的摩擦材料(一片镀银，一片浸涂PDMS)制备了织物状摩擦发电机；但离实际应用仍有一定的距离，因为目前柔性摩擦发电机的基底大多选择聚合物薄膜，结构通常为垂直分离(三明治)式，需要弹簧或分离器来辅助实现撤除外力后的上下层分离，而使用纺织材料为基底的器件，引电极却为金属，亦有制备成本高，柔性不完全的缺点。所以除了改进摩擦表面两极的材料外，也有必要在发电机结构上有新的思路，以发展一种全新结构的柔性摩擦发电机。

由于摩擦发电机本身性质决定，器件转化的电能属于电流较小的交流电信号，能够稳定输出直流电流才是理想的能源器件。超级电容器作为储能器件能够稳定地输出电能，但是需要依赖外部充电系统。为了充分利用摩擦发电机产生的电能，可先将这些微小信号进行整流并积累，存储于超级电容器中，使得不规则脉冲电流转化成稳定连续的直流电，实现摩擦发电机和超级电容器的优势互补。

目前针对柔性摩擦发电机和超级电容器复合集成的研究也刚起步，其中Yang等(Energy Environ Sci 2012,5,9462)在2012年第一次制备了摩擦压电器件和储能器件集成的复合能源器件，驱动了电致变色电子元件，证明了集成器件可以通过转化机械能来实现自驱动，并且驱动响应快。Pu等(Adv.Mater.2015,28,98)以编织的方法制备了以织物为单元的摩擦发电器件，同时制备了纤维状超级电容器，并将二者通过导线连接成一体，制备了摩擦发电机和超级电容器的复合能源器件。可以看出，目前的复合能源器件基底不同，同时使用相同纺织材料作为基底作制备摩擦发电机和超级电容器的属于首创性制备，并且本发明试图将摩擦发电机和超级电容器通过柔性导线进行集成，最终得到全纺织结构的复合能源器件，所制备的全纺织结构的能源器件不但性能优异，在柔性及稳定性方面都有突出表现。为可穿戴的摩擦压电发电机和柔性超级电容器的研发提供了一种解决方案，为纺织能源器件的研发给出了新的研究方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种全纺织结构的复合能源器件的制备方法，所述全纺织结构的复合能源器件包括基于三维间隔织物的摩擦发电机、基于三维间隔织物的超级电容器以及基于纺织纱线制备的导电纤维。

本发明的技术方案如下：

本发明的全纺织结构的复合能源器件，制备包括两部分，首先以间隔织物为基底完成柔性摩擦发电机制备，再以相同的间隔织物为基底完成超级电容器的制备，最终将二者组装，完成一体式复合能源器件的制备。其中摩擦发电机的制备包括：