[发明专利]一种柔性可穿戴复合式能量收集器件及其制作方法与应用

说明书

本发明属于柔性可穿戴电子设备技术领域，具体涉及一种柔性可穿戴复合式能量收集器件及其制作方法与应用，本发明的柔性可穿戴复合式能量收集器件由柔性可穿戴摩擦纳米发电机和柔性可穿戴乳酸酶生物燃料电池无缝组装而成，所述乳酸酶生物燃料电池属于贴近人体皮肤的一端，所述乳酸酶生物燃料电池包括聚二甲基硅氧烷柔性壳、乳酸酶/三维多级结构石墨烯阳极、还原氧贵金属/三维多级结构石墨烯阴极和水凝胶电解质，所述柔性可穿戴摩擦纳米发电机包括柔性聚合物/纳米碳材料复合电极/柔性聚合物复合膜和具有支撑骨架的纳米碳材料复合电极/柔性聚合物复合膜；该柔性可穿戴复合式能量收集器件解决了汗液影响可穿戴摩擦纳米发电机性能的问题。

技术领域

本发明属于柔性可穿戴电子设备技术领域，具体涉及一种柔性可穿戴复合式能量收集器件及其制作方法与应用。

背景技术

近年来，电子技术逐步向微小集成化、功能智能化、无线移动化和全自驱动化方向发展，人们对可穿戴、无处不在的智能设备的需求也不断增加，大量的可穿戴电子设备在世界范围内得到了广泛的应用。通常，为这些电子设备提供电力的一种最常用的方法是安装电池。然而，电池的寿命有限，随着电子设备数量的增加，大量电池的更换、管理和/或回收变得更加困难，为了解决这些问题，摩擦电纳米发电机(TENG)应运而生，这是一种能将环境机械能转换为电能的装置。其工作原理是基于摩擦电效应与静电感应效应的耦合作用。TENG的出现为可穿戴电子设备的发展提供了新的突破口，不仅使可穿戴电子设备获得了更加稳定、安全、高转换效率的能源，也为人们的生活和工作带来了极为便捷的体验。

目前报道的可穿戴摩擦纳米发电机都在实验条件下展现了它们极大的应用潜能，但在面临实际应用时，有些客观因素必须加以考虑。例如，健康的人体在不运动的情况下，每天的出汗量约为600毫升左右。而剧烈运动或者是长时间在高温环境中工作的人，每个小时的出汗量可达到2000毫升左右。大量的汗液形成潮湿的人体环境，这会降低摩擦效应，影响可穿戴摩擦纳米发电机表面电荷的产生，从而影响器件整体的输出性能。

然而，值得注意的是，汗液本身也是一种能量来源。比如，汗液里面含量较多的有机物乳酸，可以作为生物燃料电池的原料来进行发电。生物燃料电池主要由三部分组成：生物阳极、生物阴极、电解质。目前已经有以汗液中的乳酸为原料的可穿戴生物燃料电池的报道，输出已经达到1.2mW/cm，能够给LED灯和蓝牙低能耗收音机提供能量。这类酶生物燃料电池具有对原料的催化效率高、长期工作稳定性好、环境友好以及良好的生物兼容性等优点。

基于上述生物燃料电池的原理，有望将其用于解决汗液影响可穿戴摩擦纳米发电机性能的问题。当前，尚未有将生物燃料电池与可穿戴摩擦纳米发电机融于一体的复合式能量收集器件的报道。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种柔性可穿戴复合式能量收集器件及其制作方法，该柔性可穿戴复合式能量收集器件可同时收集人体运动能和汗液生物能，且制作方法简单并且容易操作，既解决了汗液影响可穿戴摩擦纳米发电机性能的问题，也为解决可穿戴电子器件的供能问题提供了一种新途径。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明的首要目的是提供一种柔性可穿戴复合式能量收集器件，所述柔性可穿戴复合式能量收集器件由柔性可穿戴摩擦纳米发电机和柔性可穿戴乳酸酶生物燃料电池无缝组装而成。

优选地，所述乳酸酶生物燃料电池属于贴近人体皮肤的一端，所述乳酸酶生物燃料电池包括聚二甲基硅氧烷柔性壳、乳酸酶/三维多级结构石墨烯阳极、还原氧贵金属/三维多级结构石墨烯阴极和水凝胶电解质，所述聚二甲基硅氧烷柔性壳上开设有容纳腔，所述聚二甲基硅氧烷柔性壳的内底面设置有凹槽，所述乳酸酶/三维多级结构石墨烯阳极和还原氧贵金属/三维多级结构石墨烯阴极对称放置在所述凹槽内，所述凹槽内还填充有所述的水凝胶电解质，所述聚二甲基硅氧烷柔性壳的顶面和侧面均设置有系列微孔，所述凹槽的侧面设置有微流通道，所述微流通道将所述侧面微孔与所述凹槽相连通；