[发明专利]一种柔性单电极摩擦纳米发电机

说明书

本发明涉及一种柔性单电极摩擦纳米发电机，包括三层结构，上层为较薄的硅胶片，用于作为摩擦层，下层为较厚的硅胶片，用于作为支撑层，摩擦层和支撑层之间是柔性导电布。本发明以液体硅胶、柔性导电布、铜箔和铜线为原料，制备出一种简单易推广的柔性单电极摩擦纳米发电机S‑TENG，制备的S‑TENG具有良好的柔性、稳定性和低频机械能量收集功能。能将收集的低频机械能有效地转换为电能，并能够点亮240颗LED灯珠，驱动电子手表和小型计算器。本发明具有方法简单，成本低，电学输出性能高，稳定性好，易于大规模生产的优点，制备得到的S‑TENG样品在新型电子器件和生物医学领域具有重要的潜在应用价值。

技术领域

本发明涉及纳米新能源器件及其制备技术领域，具体是一种柔性单电极摩擦纳米发电机。

背景技术

随着全球经济和社会的发展，能源问题成为大家关注并亟待解决的问题。传统的火力发电、风能、水能和太阳能等都是集中式的能源供给。除此之外，在我们生活的周围存在很多低频的机械能，这些能量常常都是被浪费掉的。例如：人体每天都在做一些机械动作，如果把这些清洁能量收集起来并转化为电能，则可以为一些便携的电子产品供电。摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerators，TENGs)的出现为这实现这一设想提供了可能。TENGs自2012年被王中林小组发现以来受到了广泛的关注(Nano Energy,2012,1,328-334)。截止到目前，一共有四种运动模式的TENGs。单电极模式是其中的一种。在某些情况下，TENGs的某些部分作为运动部件不方便通过电线和电极进行电气连接，如人在地板上行走。单电极摩擦纳米发电机(S-TENG)可以有效地解决这个问题。因此，柔性S-TENG特别适合于获取生物体产生的机械能量。

目前，摩擦电纳米发电机的大规模工业制造和商业应用面临许多潜在的困难和挑战，包括材料选择、功率输出、成本效益等[Adv.Mater.2020,32,1902549]。因此，到目前为止，TENG的研究热点主要集中在结构设计、材料选择、性能优化、电源管理、应用探索等方面[Adv.Mater.2020,32,1902549,Nano Energy,2021,84,105919]。在材料选择方面，自然界中的大多数材料都具有摩擦带电特性，这为TENG的制备提供了无限的可能性。这是TENG的魅力之一。这些材料包括用于摩擦带电的摩擦材料和用于电极的导电材料。很多种具有自身优点的可变形柔性材料都可以用来制造各种柔性TENG。然而，考虑到柔性TENG的一些具体要求，有必要选择合适的柔性材料来满足不同应用场景的需要[Nano Energy,2021,84,105919]。

为了进一步提高S-TENG的柔韧性，各种导电材料，如银纳米线[AdvancedMaterials,2016,28,10024-10032]、炭黑/纳米管[ACS Nano,2016,10,6519-6525]、液态金属[ACS Nano,2018,12,2027-2034]、离子水凝胶[Nano Energy,2019,59,302-310]和针织导电纤维/纱线[Advanced Materials,2020,32,1902549]，已被开发为可穿戴电子产品的TENG柔性电极。然而，这些TENGs或多或少都有自己的缺点[Advanced FunctionalMaterials,2020,31,2007221]。例如，基于离子液体或水凝胶制备的S-TENG存在液体或水凝胶沿导电丝流出的现象，影响了其稳定性和耐久性。因此，选择合格的柔性材料研发出简单易推广、性能稳定的S-TENG本身就是非常大的创新。

发明内容

本发明的目的在于提出一种柔性单电极摩擦纳米发电机，该单电极摩擦纳米发电机具有良好的柔性、稳定性和低频机械能量收集功能，能将收集的低频机械能有效地转换为电能，并能够点亮240颗LED灯珠，驱动电子手表和小型计算器。作为一种新型的低频能量收集器件，制备的S-TENG能够收集人体运动的能量，例如拍手、手腕运动和走路等的能量。作为一种新型的传感器，制备的S-TENG能够监测一些人体的运动信号，例如手指运动、腹部呼吸和面部咀嚼等。所得产品在新型电子器件和生物医学领域具有重要的潜在应用价值。