基于壓電超級(jí)電容器的自充電能量裝置及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及新型能源技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于壓電超級(jí)電容器的自充電能量裝置及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]探索新型高效、綠色穩(wěn)定的新型能源是解決如今能源危機(jī)的一種可行方案，而對(duì)于能量系統(tǒng)而言，能量的采集和存儲(chǔ)是兩個(gè)關(guān)鍵部分。對(duì)于各種電子器件，大都需要電源供能，而傳統(tǒng)的供能方式和復(fù)雜的供能系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足器件小型化的需求。近年來(lái)，納米發(fā)電機(jī)和超級(jí)電容器的發(fā)展為小型化器件提供了一種新的能量系統(tǒng)方式，其中，壓電型納米發(fā)電機(jī)可以將外界的振動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能，超級(jí)電容器則將采集到的電能高效的存儲(chǔ)起來(lái)，滿足器件運(yùn)行的需要。
[0003]對(duì)于諸如壓電型納米發(fā)電機(jī)等能量采集器件，研究人員進(jìn)行了大量的探索，在現(xiàn)有技術(shù)中的一個(gè)納米發(fā)電機(jī)、納米發(fā)電組件及其自供電系統(tǒng)方案中，各類壓電材料可以將不規(guī)則和低頻的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，具有較好的轉(zhuǎn)移電荷能力，對(duì)電容的充電速度較快。此外，相比于可充電電池和傳統(tǒng)電容器等能量存儲(chǔ)器件，超級(jí)電容器具有高功率密度、充放電速度快、循環(huán)穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)被廣泛的研究，其中，柔性的固態(tài)超級(jí)電容器可以滿足可穿戴設(shè)備與柔性電子器件的需求。
[0004]然而，能量采集器件與能量存儲(chǔ)器件之間需要復(fù)雜的轉(zhuǎn)換器件，降低了集成度，增加了不必要的能量損失，因此，需要設(shè)計(jì)一種新型自充電能量裝置，將壓電型納米發(fā)電機(jī)與柔性超級(jí)電容器集成起來(lái)，使采集到的能量直接高效存儲(chǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種基于壓電超級(jí)電容器的自充電能量裝置及其制作方法。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。
[0007]—種基于壓電超級(jí)電容器的自充電能量裝置，包括:壓電薄膜、柔性電極和固態(tài)電解質(zhì)；
[0008]所述的壓電薄膜，用于與固態(tài)電解質(zhì)連接，當(dāng)壓電薄膜的外表面接受到外界施加的應(yīng)力后，在壓電薄膜的上下表面間產(chǎn)生極化電荷，對(duì)固態(tài)電解質(zhì)中離子電荷進(jìn)行吸引；
[0009]所述的固態(tài)電解質(zhì)，用于設(shè)置在所述壓電薄膜和柔性電極之間，與所述壓電薄膜和柔性電極連接，當(dāng)壓電薄膜兩側(cè)產(chǎn)生極化電荷后，固態(tài)電解質(zhì)中離子電荷被吸引產(chǎn)生定向移動(dòng)，離子電荷向柔性電極迀移；
[0010]所述的柔性電極，用于與所述固態(tài)電解質(zhì)連接，將固態(tài)電解質(zhì)中定向移動(dòng)的離子電荷存儲(chǔ)在柔性電極與固態(tài)電解質(zhì)之間。
[0011]優(yōu)選地，所述裝置包括一個(gè)壓電薄膜、兩個(gè)柔性電極和兩個(gè)固態(tài)電解質(zhì)，所述壓電薄膜設(shè)置在兩個(gè)柔性電極之間，所述兩個(gè)固態(tài)電解質(zhì)分別和兩個(gè)柔性電極連接。
[0012]優(yōu)選地，所述壓電薄膜為具有壓電特性的多孔薄膜。
[0013]優(yōu)選地，所述電極為附著多壁碳納米管的柔性濾紙。
[0014]優(yōu)選地，所述固態(tài)電解質(zhì)為凝膠聚合物。
[0015]—種基于壓電超級(jí)電容器的自充電能量裝置的制造方法，包括:
[0016]通過(guò)稱量將CNT與SDBS混合，并加入到去離子水中，得到碳納米管溶液；
[0017]將所述碳納米管溶液滴在柔性濾紙上，對(duì)所述柔性濾紙進(jìn)行烘干處理，直到柔性濾紙的CNT濃度完全飽和，將CNT濃度完全飽和的柔性濾紙作為柔性電極；
[0018]通過(guò)堿性溶液刻蝕的方法，在具有壓電特性的薄膜表面形成多孔結(jié)構(gòu)，將多孔結(jié)構(gòu)的具有壓電特性的薄膜作為壓電薄膜；
[0019]將聚合物加入到去離子水中，在磁力輔助下對(duì)加入了聚合物的去離子水進(jìn)行攪拌至溶液透明，將透明的加入了聚合物的去離子水凝膠作為固態(tài)電解質(zhì)；
[0020]將所述壓電薄膜浸入所述固態(tài)電解質(zhì)中，設(shè)定放置時(shí)間，使所述壓電薄膜和所述固態(tài)電解質(zhì)充分接觸，所述壓電薄膜的兩側(cè)均勻覆蓋一層固態(tài)電解質(zhì)；
[0021]通過(guò)應(yīng)力按壓的方式，將覆蓋了固態(tài)電解質(zhì)的壓電薄膜夾于兩片所述柔性電極中間，得到三層結(jié)構(gòu)的基于壓電超級(jí)電容器的自充電能量裝置。
[0022]優(yōu)選地，所述的通過(guò)稱量將CNT與SDBS混合，并加入到去離子水中，得到碳納米管溶液，包括:
[0023]通過(guò)稱量將CNT與SDBS混合，并加入到去離子水中；CNT與SDBS的質(zhì)量各為3-15mg，去離子水的體積為30-150ml，通過(guò)水浴超聲的方法，使CNT與SDBS充分接觸，完全溶解在DI水中，得到碳納米管溶液。
[0024]優(yōu)選地，所述的將所述碳納米管溶液滴在柔性濾紙上，對(duì)所述柔性濾紙進(jìn)行烘干處理，直到柔性濾紙的CNT濃度完全飽和，將CNT濃度完全飽和的柔性濾紙作為柔性電極，包括:
[0025]通過(guò)滴加烘干的工藝，將所述碳納米管溶液滴在柔性濾紙上，對(duì)所述柔性濾紙進(jìn)行烘干處理，進(jìn)行多次滴加、烘干后，直到柔性濾紙的CNT濃度完全飽和，將柔性濾紙作為柔性電極;所述柔性濾紙的面積大小為0.01-100cm2，單次烘干溫度為60°C，單次烘干時(shí)間為
0.5小時(shí)。
[0026]優(yōu)選地，所述的得到三層結(jié)構(gòu)的基于壓電超級(jí)電容器的自充電能量裝置之后，還包括:
[0027]通過(guò)恒溫烘干的方式，將所述基于壓電超級(jí)電容器的自充電能量裝置置于烘箱中，除去器件中殘留的水分子，得到基于壓電超級(jí)電容器的自充電能量裝置，烘干溫度為45°C，烘干時(shí)間為12小時(shí)。
[0028]由上述本發(fā)明的實(shí)施例提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明提出的基于壓電超級(jí)電容的自充電能量單元將能量的產(chǎn)生與存儲(chǔ)為一體，使得壓電型納米發(fā)電機(jī)與柔性超級(jí)電容器有效地集成起來(lái)，并且具有能量轉(zhuǎn)換效率高，存儲(chǔ)容量高，器件柔性好等優(yōu)點(diǎn)，在可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。該裝置在單個(gè)器件中即可實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化與電能的存儲(chǔ)。無(wú)需采用外部整流橋裝置，集成度更高，實(shí)現(xiàn)了外界機(jī)械能到電能的高效采集與存儲(chǔ)。
[0029]本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
【附圖說(shuō)明】
[0030]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0031]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于壓電超級(jí)電容的自充電能量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種柔性CNT紙基電極掃描電鏡照片；
[0033]圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種PVDF壓電薄膜掃描電鏡照片；
[0034]圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種自充電能量裝置的充電波形。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0036]本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非特意聲明，這里使用的單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”、“所述”和“該”也可包括復(fù)數(shù)形式。應(yīng)該進(jìn)一步理解的是，本發(fā)明的說(shuō)明書中使用的措辭“包括”是指存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件，但是并不排除存在或添加一個(gè)或多個(gè)其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應(yīng)該理解，當(dāng)我們稱元件被“連接”或“耦接”到另一元件時(shí)，它可以直接連接或耦接到其他元件，或者也可以存在中間元件。此外，這里使用的“連接”或“耦接”可以包括無(wú)線連接或耦接。這里使用的措辭“和/或”包括一個(gè)或更多個(gè)相關(guān)聯(lián)的列出項(xiàng)的任一單元和全部組合。
[0037]本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(yǔ)(包括技術(shù)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)術(shù)語(yǔ))具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語(yǔ)應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會(huì)用理想化或過(guò)于正式的含義來(lái)