CN109039141A - 基于碳纤维的柔性可拉伸自充电装置、制备方法以及*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于碳纤维的柔性可拉伸自充电装置、制备方法以及***。该自充电装置包括：固态超级电容器，由两组结构相同的电容器组件构成，两组电容器组件之间平行布置且两端对齐，每组电容器组件包括活性材料层及包裹在活性材料层外周的固态电解质层，活性材料层的材料为碳纤维材料；绝缘层，包裹在固态超级电容器的外周；摩擦纳米发电机，与固态超级电容器和绝缘层同轴布置，摩擦纳米发电机包括导电层及包裹在导电层外周的摩擦层，导电层包裹在绝缘层的外周，材料为碳纤维材料。该自充电装置选用的材料价格低廉，无毒无污染，环保性能好，且自充电装置具有柔性特性，可应用在各种不同的领域，例如将其编织成衣，或者应用在可穿戴设备上。

Description

基于碳纤维的柔性可拉伸自充电装置、制备方法以及***

技术领域

本发明涉及纳米发电机和超级电容器领域，特别是涉及一种基于碳纤维的柔性可拉伸自充电装置、制备方法以及***。

背景技术

随着人类生活水平的提高，智能可穿戴电子设备正蓬勃发展。这些电子设备目前依然采用传统的电池为其供电，但电池不仅不具备自充电能力，而且续航时间短，由此需要频繁更换电池，这极大地限制了可穿戴电子器件的实际应用效果。

因而，寻找一种可以自充电并且能够持续供电的设备成为了不可避免的问题。摩擦纳米发电机可以收集各种形式的机械能，包括压缩、震动、旋转、自然界中的风能、水能等并将其转换为电能。凭借着质量轻、体积小、合成方法简单等优点，摩擦纳米发电机在可穿戴设备供电领域也有着越来越多的发展。对于摩擦纳米发电机来说，它能够将机械能转化为电能，但本身并不能存储电荷，需要与储能设备如超级电容器结合，从而达到为可穿戴电子设备供电的目的。目前已有将超级电容器和摩擦纳米发电机结合运用的报道，但这类器件在用于可穿戴设备的供能问题上，存在着很多限制，它们一般体积较大，对可穿戴设备来说供电不便捷。

因此，研究出一种集成度高、制备方法简单、成本低、无污染、高效的且适用于可穿戴设备的自充电***以满足应用需求有着重要的意义。

发明内容

本申请的发明人发现，现有技术中有报道将超级电容器和摩擦纳米发电机编织成织物，但是两种纤维器件是分别制备的，编织时只是简单组合，这无疑限制了超级电容器与摩擦纳米发电机的运用。

本发明的一个目的是要解决现有技术中将超级电容器和摩擦纳米发电机结合运用的器件体积较大的技术问题。

本发明的另一个目的是要解决现有技术中将超级电容器和摩擦纳米发电机结合运用的器件集成度小的技术问题。

本发明的一个进一步的目的是要提供一种新的将超级电容器和摩擦纳米发电机结合运用的器件的制备方法。

本发明提供了一种基于碳纤维的柔性可拉伸自充电装置，包括：

固态超级电容器，由两组结构相同的电容器组件构成，所述两组电容器组件之间平行布置且两端对齐，每组电容器组件包括活性材料层以及包裹在所述活性材料层外周的固态电解质层，所述活性材料层的材料为碳纤维材料；

绝缘层，其包裹在所述固态超级电容器的外周；

摩擦纳米发电机，与所述固态超级电容器和所述绝缘层同轴布置，所述摩擦纳米发电机包括导电层以及包裹在所述导电层外周的摩擦层，所述导电层包裹在所述绝缘层的外周，且其材料为碳纤维材料。

可选地，所述活性材料层为由所述碳纤维材料编织而成的碳纤维束；

所述固态电解质层设置成从所述碳纤维束的第一端向与所述第一端相对的第二端延伸，并暴露出所述第二端，以将所述第二端作为所述固态超级电容器的电极。

可选地，所述导电层以螺旋式缠绕的方式缠绕在所述绝缘层的外周。

可选地，所述导电层的一端作为所述摩擦纳米发电机的电极。

可选地，所述固态超级电容器缠绕在可拉伸基底上。

可选地，所述绝缘层的材料为硅橡胶；

可选地，所述摩擦层的材料为硅橡胶。

特别地，本发明还提供了一种基于碳纤维的柔性可拉伸自充电装置的制备方法，包括如下步骤：

提供两组结构相同的碳纤维材料；

将所述两组碳纤维材料分别浸入电解质溶液中，并在所述电解质溶液干燥后获得两组电容器组件；

将所述两组电容器组件平行布置且两端对齐，以组装形成固态超级电容器；

在所述固态超级电容器的外周涂覆液态绝缘材料，以在所述液态绝缘材料固化后在所述固态超级电容器外周形成绝缘层；

在所述绝缘层外周包裹碳纤维材料以形成导电层，并在所述导电层外周涂覆摩擦层材料以形成摩擦层。

可选地，所述碳纤维材料与所述电解质溶液的质量比为1：1000-2000。

可选地，所述电解质溶液包括聚乙烯醇、磷酸以及去离子水。

特别地，本发明还提供了一种基于碳纤维的柔性可拉伸自充电***，包括：

上述的基于碳纤维的柔性可拉伸自充电装置；

整流桥，用于将摩擦纳米发电机输出的交流电信号转化为直流电信号，并将所述直流电信号输出给固态超级电容器。

可选地，所述自充电装置包括多个以串联的方式连接的固态超级电容器以及多个以并联的方式连接的摩擦纳米发电机。

在本申请之前，本领域技术人员均是将单独的固态超级电容器和摩擦纳米发电机连接在一起，以将摩擦纳米发电机发出的电能存储到固态超级电容器内，而本申请的发明人突破本领域技术人员的思想禁锢，并创新性地将两者集成在一起，从而形成结构简单且体积较小的自充电装置。

根据本发明实施例的方案，该自充电装置选用的材料价格低廉，且无毒无污染，环保性能好。并且由于碳纤维以及硅橡胶均可在发生形变后恢复原状，如弯曲后恢复原状，从而使得该自充电装置具有柔性特性，并且将固态超级电容器缠绕在可拉伸基底上，从而使器件具有一定的可拉伸性能，可以应用在各种不同的领域，例如将其编织成衣，或者应用在可穿戴设备上。

本发明提出的自充电***可以较好地适用于可穿戴供电设备。此***的纤维特性使之更利于编织成衣，从而驱动多种便携式可穿戴电子设备，满足日益发展的社会需求。此外，该自充电***从制备到应用对设备要求不高，成本低。摩擦纳米发电机与固态超级电容器工作机理简单，工作过程无危险，效率高，有助于工业化推广，具有显著的经济效益和社会效益。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的基于碳纤维的柔性可拉伸自充电装置的示意性结构图；

图2是根据本发明一个实施例的基于碳纤维的柔性可拉伸自充电装置的制备方法的示意性流程图；

图3是根据本发明一个实施例的基于碳纤维的柔性可拉伸自充电装置的制备过程的示意性流程图；

图4是根据本发明一个实施例制备获得的单个固态超级电容器在不同扫描速率(5-100mv/s)下的循环伏安曲线；

图5是根据本发明一个实施例基于碳纤维的柔性可拉伸自充电***的示意性原理图；

图6是根据本发明一个实施例的基于碳纤维的柔性可拉伸自充电***的充电曲线以及利用该***驱动便携式电子表的放电曲线；

图7是根据本发明一个实施例的多个固态超级电容器串联的示意图；

图8是根据本发明一个实施例的多个摩擦纳米发电机并联的示意图；

图9是根据本发明一个实施例的串联不同数量的固态超级电容器的恒流(5μA)充放电曲线图；

图10是根据本发明一个实施例的并联四个摩擦纳米发电机在不同运动频率(1-2.5Hz)下的开路电压、短路电流以及短路电量的输出。

具体实施方式

图1示出了根据本发明一个实施例的基于碳纤维的柔性可拉伸自充电装置的示意性结构图。如图1所示，该自充电装置10包括固态超级电容器1、绝缘层2以及摩擦纳米发电机3。固态超级电容器1由两组结构相同的电容器组件11构成，两组电容器组件11之间平行布置且两端对齐，每组电容器组件11包括活性材料层111以及包裹在活性材料层111外周的固态电解质层112，活性材料层111的材料选择为碳纤维材料。该绝缘层2包裹在固态超级电容器1的外周。并且，该绝缘层2的材料选择为可发生弹性形变的材料。该摩擦纳米发电机3分别与固态超级电容器1和绝缘层2同轴布置，摩擦纳米发电机3包括导电层31以及包裹在导电层31外周的摩擦层32，导电层31包裹在绝缘层2的外周，且其材料选择为碳纤维材料。

在本申请之前，本领域技术人员均是将单独的固态超级电容器1和摩擦纳米发电机3连接在一起，以将摩擦纳米发电机3发出的电能存储到固态超级电容器1内，而本申请的发明人突破本领域技术人员的思想禁锢，并创新性地将两者集成在一起，从而形成结构简单且体积较小的自充电装置10。

参见图1，活性材料层111为由碳纤维材料编织而成的碳纤维束。在一个实施例中，可以将固态超级电容器1缠绕在可拉伸基底上。摩擦纳米发电机3的导电层31同样为由碳纤维材料编织而成的碳纤维束，并且该碳纤维束以螺旋式缠绕的方式缠绕在绝缘层2的外周。固态电解质层112设置成从碳纤维束的第一端1111向与第一端1111相对的第二端1112延伸，并暴露出第二端1112，以将第二端1112作为固态超级电容器1的电极。摩擦纳米发电机3的导电层31的一端作为摩擦纳米发电机3的电极33。在一个实施例中，该绝缘层2的材料选择为硅橡胶。该摩擦层32的材料选择为硅橡胶。该绝缘层2可以防止固态超级电容器1和摩擦纳米发电机3相互干扰。

根据本发明实施例的方案，该自充电装置10选用的材料价格低廉，且无毒无污染，环保性能好。并且由于碳纤维以及硅橡胶均可在发生形变后恢复原状，如弯曲后恢复原状，从而使得该自充电装置10具有柔性特性，并且将固态超级电容器1缠绕在可拉伸基底上，从而使器件具有一定的可拉伸性能，可以应用在各种不同的领域，例如将其编织成衣，或者应用在可穿戴设备上。

该摩擦纳米发电机3的工作模式为单电极模式。当摩擦纳米发电机3与肌肤接触时，硅橡胶会产生负电荷，当肌肤与摩擦纳米发电机3分离时，摩擦纳米发电机3的电极33会被诱导出相应的正电荷，从而产生电流。当肌肤再接触时，摩擦纳米发电机3的电极33又会需要相反的电荷，从而产生相反的电流。

图2示出了根据本发明一个实施例的基于碳纤维的柔性可拉伸自充电装置的制备方法的示意性流程图。图3示出了根据本发明一个实施例的基于碳纤维的柔性可拉伸自充电装置的制备过程的示意性流程图。如图2和图3所示，该方法包括：

步骤S100，提供两组结构相同的碳纤维材料；

步骤S200，将两组碳纤维材料分别浸入电解质溶液中，并在电解质溶液干燥后获得两组电容器组件11；

步骤S300，将两组电容器组件11之间平行布置且两端对齐，以组装形成固态超级电容器1；

步骤S400，在固态超级电容器1的外周涂覆液态绝缘材料，以在液态绝缘材料固化后在固态超级电容器1外周形成绝缘层2；

步骤S500，在绝缘层2外周包裹碳纤维材料以形成导电层31，并在导电层31外周涂覆摩擦层32材料以形成摩擦层32，从而制备形成前述的自充电装置10。

在步骤S200中，电解质溶液的材料包括聚乙烯醇、磷酸以及去离子水。并且碳纤维材料与电解质溶液的质量比为1：1000-2000中任一比值，例如可以为1:1000、1:1200、1:1500、1:1800和1:2000等。

在步骤S400中，液态绝缘材料例如可以是液态硅橡胶。在制备该绝缘层2时，可以竖直悬挂固态超级电容器1，使液态胶利用重力自然下落，使其包裹住固态超级电容器1的外周。由此形成的硅橡胶薄且均匀。

在一个具体的实施例中，该自充电装置10制备方法包括如下步骤：

取两束约0.2mg的碳纤维束，分别浸润在0.1mL电解质溶液(例如1g聚乙烯醇，1mL磷酸溶液，9mL去离子水混合，在85℃下搅拌至澄清)中，待电解质干燥后，再分别滴加0.1mL电解质溶液，待其干燥后，将两束纤维平行组装得到固态超级电容器；

在纤维状固态电容器的表面涂抹液态硅橡胶，待其固化后，得到绝缘层2。

在绝缘层2表面紧致且均匀地缠绕约25mg碳纤维束，然后在碳纤维束的表面涂抹液态硅橡胶，待其固化后，得到摩擦纳米发电机3。

在另一个实施例中，制备固态超级电容器1的过程中，碳纤维与电解质溶液的比值可以为4mg：0.4ml。

图4示出了根据本发明一个实施例制备获得的单个固态超级电容器在不同扫描速率(5-100mv/s)下的循环伏安曲线。从图4可知，该固态超级电容器1的循环伏安曲线在较慢扫速的条件下，循环伏安曲线接近矩形，表现出良好的电容特性。随着扫速的增加，循环伏安曲线逐渐偏离矩形，表现出较大的电阻特性。

图5示出了根据本发明一个实施例基于碳纤维的柔性可拉伸自充电***的示意性原理图。如图5所示，自充电***包括上述自充电装置10和整流桥20。电路中使用整流桥20将摩擦纳米发电机3输出的交流电转换为直流电，并将通过整流桥20整流之后的直流电充向同轴的固态超级电容器1。通过开关控制固态超级电容器1的状态，S1合上时，摩擦纳米发电机3给超级电容器充电，S2合上时，超级电容器释放电量驱动电子设备30。在一个实施例中，可以利用该自充电***驱动便携式电子表。图6示出了根据本发明一个实施例的基于碳纤维的柔性可拉伸自充电***的充电曲线以及利用该***驱动便携式电子表的放电曲线。由图6可知，该自充电***可以为便携式电子表进行充电。

在一个实施例中，该自充电***中可以包括多个固态超级电容器1以及多个摩擦纳米发电机3。图7示出了多个固态超级电容器串联的示意图。图8示出了多个摩擦纳米发电机并联的示意图。如图7和图8所示，该自充电***可以包括多个以串联的方式连接的固态超级电容器1以及多个以并联的方式连接的摩擦纳米发电机3。

图9示出了根据本发明一个实施例的串联不同数量的固态超级电容器的恒流(5μA)充放电曲线图。由图9可知，当输入电流为5μA时，随着固态超级电容器1串联个数的增加，整体的容值随之减小，当四个固态超级电容器1串联时，***的容量约为30μF。

图10示出了根据本发明一个实施例的并联四个摩擦纳米发电机在不同运动频率(1-2.5Hz)下的开路电压、短路电流以及短路电量的输出。由图10可知，四根摩擦纳米发电机3并联之后的开路电压保持在60V左右；其输出的短路电流随着频率的增大而增大，当频率为1Hz时，短路电流的峰值为0.2μA，当频率增大到2.5Hz时，短路电流可以达到0.6μA；其输出的短路电量在不同频率下也几乎不变，保持在20nC左右。

由图5至图10可知，该基于碳纤维的柔性可拉伸自充电***可以实现将摩擦纳米发电机3的电能存储在固态超级电容器1中，并可以为电子设备30供电。同时，由图可知，要将摩擦纳米发电机3和固态超级电容器1组装成可工作的自充电***，还需要进行电路设计和管理。本发明则提供了上述电路设计以及管理的方式，从而使自充电***可工作成为可能。此外，还需要结合实际情况如运动频率等因素，通过串并联不同数量的结构单元(摩擦纳米发电机3和固态超级电容器1)来合理地匹配摩擦纳米发电机3的输出和固态超级电容器1的输入。

本发明提出的自充电***可以较好地适用于可穿戴供电设备。此***的纤维特性使之更利于编织成衣，从而驱动多种便携式可穿戴电子设备30，满足日益发展的社会需求。此外，该自充电***从制备到应用对设备要求不高，成本低。摩擦纳米发电机3与固态超级电容器1工作机理简单，工作过程无危险，效率高，有助于工业化推广，具有显著的经济效益和社会效益。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种基于碳纤维的柔性可拉伸自充电装置，其特征在于，包括：

固态超级电容器，由两组结构相同的电容器组件构成，所述两组电容器组件之间平行布置且两端对齐，每组电容器组件包括活性材料层以及包裹在所述活性材料层外周的固态电解质层，所述活性材料层的材料为碳纤维材料；

绝缘层，其包裹在所述固态超级电容器的外周；

摩擦纳米发电机，与所述固态超级电容器和所述绝缘层同轴布置，所述摩擦纳米发电机包括导电层以及包裹在所述导电层外周的摩擦层，所述导电层包裹在所述绝缘层的外周，且其材料为碳纤维材料。

2.根据权利要求1所述的基于碳纤维的柔性可拉伸自充电装置，其特征在于，所述活性材料层为由所述碳纤维材料编织而成的碳纤维束；

所述固态电解质层设置成从所述碳纤维束的第一端向与所述第一端相对的第二端延伸，并暴露出所述第二端，以将所述第二端作为所述固态超级电容器的电极。

3.根据权利要求1所述的基于碳纤维的柔性可拉伸自充电装置，其特征在于，所述导电层以螺旋式缠绕的方式缠绕在所述绝缘层的外周；

可选地，所述导电层的一端作为所述摩擦纳米发电机的电极。

4.根据权利要求3所述的基于碳纤维的柔性可拉伸自充电装置，其特征在于，所述固态超级电容器缠绕在可拉伸基底上。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于碳纤维的柔性可拉伸自充电装置，其特征在于，所述绝缘层的材料为硅橡胶；

可选地，所述摩擦层的材料为硅橡胶。

6.一种基于碳纤维的柔性可拉伸自充电装置的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供两组结构相同的碳纤维材料；

将所述两组碳纤维材料分别浸入电解质溶液中，并在所述电解质溶液干燥后获得两组电容器组件；

将所述两组电容器组件平行布置且两端对齐，以组装形成固态超级电容器；

在所述固态超级电容器的外周涂覆液态绝缘材料，以在所述液态绝缘材料固化后在所述固态超级电容器外周形成绝缘层；

在所述绝缘层外周包裹碳纤维材料以形成导电层，并在所述导电层外周涂覆摩擦层材料以形成摩擦层。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述碳纤维材料与所述电解质溶液的质量比为1：1000-2000。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述电解质溶液包括聚乙烯醇、磷酸以及去离子水。

9.一种基于碳纤维的柔性可拉伸自充电***，其特征在于，包括：

权利要求1-5中任一项所述的基于碳纤维的柔性可拉伸自充电装置；

整流桥，用于将摩擦纳米发电机输出的交流电信号转化为直流电信号，并将所述直流电信号输出给固态超级电容器。

10.根据权利要求9所述的柔性可拉伸自充电***，其特征在于，所述自充电装置包括多个以串联的方式连接的固态超级电容器以及多个以并联的方式连接的摩擦纳米发电机。