本發(fā)明涉及電子領(lǐng)域，具體地，涉及一種自充電布及采用該自充電布發(fā)電的方法。

背景技術(shù)：

可穿戴設(shè)備多功能化是未來電子的發(fā)展趨勢，具有巨大的市場需求。然而，目前使用的電池電源容量有限、體積大、質(zhì)量重、且不能變形彎曲，成為可穿戴設(shè)備發(fā)展的瓶頸。

近來，已經(jīng)有一些線狀柔性鋰離子電池和超級電容器的報道。在這些報道中，導(dǎo)電的纖維電極通常使用金屬線、紡絲制備的碳納米管纖維或者石墨烯纖維、碳纖維或者涂敷碳材料的織物纖維。但是上述這些方法不能同時滿足纖維電極的以下要求：(1)輕質(zhì)；(2)低成本；(3)柔韌且易于紡織；(4)高導(dǎo)電性。此外，對于工作環(huán)境的能量收集，現(xiàn)有技術(shù)通常包括的是壓電發(fā)電、熱電發(fā)電、電磁發(fā)電和摩擦發(fā)電等，尚沒有關(guān)于通過纖維布料式發(fā)電機對人體運動能進行收集以及利用纖維儲能設(shè)備存儲電能的記載。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種自充電布及采用該自充電布發(fā)電的方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種自充電布，自充電布包括編織在一起的摩擦發(fā)電機部分和電容器部分，其中所述摩擦發(fā)電機部分用于將人體運動過程中的機械能轉(zhuǎn)化為電能，并輸出電信號；以及所述電容器部分用于存儲所述摩擦發(fā)電機部分輸出的電信號。

本發(fā)明還提供一種采用上述自充電布發(fā)電的方法，其中，布料與所述自充電布的所述摩擦發(fā)電機部分接觸/分離往復(fù)運動，在所述摩擦發(fā)電機部分產(chǎn)生電能；或者，所述摩擦發(fā)電機部分與人體皮膚相對運動，或兩個所述摩擦發(fā)電機部分之間相對運動，在所述摩擦發(fā)電機部分產(chǎn)生電能；或者，所述摩擦發(fā)電機部分彎曲變形，在所述摩擦發(fā)電機部分產(chǎn)生電能。

通過上述技術(shù)方案，將本發(fā)明上述的自充電布用于織造衣物，由此可以通過自充電布中的摩擦發(fā)電機部分將人體運動的機械能轉(zhuǎn)化為電能并輸出電信號，通過所述電容器部分用于存儲所述摩擦發(fā)電機部分輸出的電信號，從而實現(xiàn)對可穿戴電子設(shè)備的持續(xù)供電。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的具體實施方式部分予以詳細說明。

附圖說明

附圖是用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的自充電布的電路連接示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的自充電布的摩擦發(fā)電機部分的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的自充電布的電容器部分的電化學(xué)性能的圖；

圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的自充電布的電容器部分的串并聯(lián)測試的示意圖；

圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的自充電布的電容器部分的柔性測試的示意圖；

圖6是示出了根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的鍍有金屬鎳膜的布料或線的電 阻隨布料或線的長度變化的示意圖；

圖7是根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的自充電布的摩擦發(fā)電機部分的工作原理圖；

圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的自充電布的摩擦發(fā)電機部分工作時的開路電壓和短路電流的示意圖；以及

圖9是示出了根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的在不同運動頻率下摩擦發(fā)電機部分對電容器部分的充電曲線以及對應(yīng)的1μA電流的放電曲線。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。

圖1是根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的自充電布的電路連接示意圖。

如圖1所示，本發(fā)明一種實施方式提供的自充電布包括編織在一起的摩擦發(fā)電機部分10和電容器部分20，其中，所述摩擦發(fā)電機部分10用于將人體運動過程中的機械能轉(zhuǎn)化為電能，并輸出電信號；以及所述電容器部分20用于存儲所述摩擦發(fā)電機部分輸出的電信號。

其中，所述電容器部分20中存儲的電信號可以用于為與其連接的可穿戴電子設(shè)備30供電。

通過將本發(fā)明上述的自充電布用于織造衣物，由此可以通過自充電布中的摩擦發(fā)電機部分將人體運動的機械能轉(zhuǎn)化為電能并輸出電信號，通過所述電容器部分用于存儲所述摩擦發(fā)電機部分輸出的電信號，從而實現(xiàn)對可穿戴電子設(shè)備的持續(xù)供電(只要存在人體運動，就可以不斷地將機械能轉(zhuǎn)換為可供使用的電能)。

根據(jù)本發(fā)明一種實施方式，該自充電布還包括整流橋40，連接在所述摩 擦發(fā)電機部分10與所述電容器部分20之間，用于將所述摩擦發(fā)電機部分10輸出的電信號整流為直流電信號。從而實現(xiàn)對電容器部分20的充電。

根據(jù)本發(fā)明一種實施方式，所述摩擦發(fā)電機部分10包括輸出所述電信號的第一電極101和第二電極102，所述第一電極101為鍍有金屬膜的布料或線，而所述第二電極102為依次鍍有金屬膜和高分子膜的布料或線。

其中，所述第一電極101和所述第二電極102相互交叉編織，優(yōu)選垂直交叉編織。例如，將多個所述第一電極101縱向排列，并將多個所述電極102相對于所述多個第一電極101橫向交叉編織(如圖2所示，圖2是根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的自充電布的摩擦發(fā)電機部分的結(jié)構(gòu)示意圖)，反之亦然。多個第一電極101通過導(dǎo)線連在一起作為一個獨立的第一電極101，類似地，多個第二電極102通過導(dǎo)線連在一起作為一個獨立的第二電極102。第一電極101與第二電極102的排布原則是確保二者之間不短路。

根據(jù)本發(fā)明一種實施方式，所述電容器部分20包括兩個電極和分別包覆所述兩個電極以使所述兩個電極絕緣的固態(tài)電解質(zhì)層，所述電極包括柔性基底、形成在所述柔性基底表面的電極材料層。

其中，所述分別包覆有固態(tài)電解質(zhì)層的兩個電極相互纏繞或并排放置。

本發(fā)明中的電容器部分20具有良好的電化學(xué)性能，圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的自充電布的電容器部分的電化學(xué)性能的圖。圖3中的(a)示出了電容器部分20在0-0.8V之間內(nèi)進行不同掃描速率的循環(huán)伏安測試結(jié)果。循環(huán)伏安曲線的掃描速率最高可達1V/s，且保持接近矩形的形狀，由此可以表明電容器部分20為雙電層電容器，且具有良好的快速充放電性能。如圖3中的(b)所示，電容器部分20在0-0.8V之間恒流充放電最快僅需要約1s的時間。如圖3中的(c)所示，當(dāng)充放電電流為0.1A/cm³時，放電電容為8.9mF/cm(56.4mF/cm²)，當(dāng)增加電流密度10倍至1A/cm³時，放電容量為5mF/cm(31.8mF/cm²)。此外，如圖3中的(d)所示，電容器 部分20具有穩(wěn)定的循環(huán)性能，在0.2A/cm³電流下充放電循環(huán)10000次，電容保持率為96％。

其中，可以通過將不同數(shù)量的電容器部分20進行串并聯(lián)來調(diào)控電壓或電流。例如，圖4中的(a)是1至5個電容器部分20串聯(lián)后的充放電曲線，可以最高增加電壓至4V。圖4中的(b)為1至5個電容器部分20并聯(lián)后的循環(huán)伏安曲線，可以線性增加電流。

根據(jù)本發(fā)明一種實施方式，所述電極材料層包括在所述柔性基底表面依次形成的金屬膜和石墨烯膜。

其中，所述柔性基底為布料或線。例如，所述布料或線可以為聚酯纖維線(或布)、棉線(或布)、尼龍線(或布)等等，本發(fā)明不限于此。在采用例如聚酯纖維線的情況下，線的直徑范圍例如可以為20μm至5cm。

在本發(fā)明中，由于電容器部分20采用布料或線作為基底，因此，本發(fā)明提供的電容器部分20具有良好的柔性。如圖5中的(a)和(b)所示，電容器部分20在彎曲角度為30、60、90、180度下的循環(huán)伏安曲線幾乎沒有變化。如圖5中(c)和(d)所示，經(jīng)過1000次180°循環(huán)彎曲，電容器部分20的充放電電容量幾乎沒有下降。由此可見，本發(fā)明的纖維超級電容器具有好的電化學(xué)穩(wěn)定性和柔性，可應(yīng)用于穿戴電子設(shè)備。

根據(jù)本發(fā)明一種實施方式，所述金屬膜為金屬鎳膜。可替換地，所示金屬膜還可以為金屬銅膜、金屬鋁膜或金屬鐵膜等等。

鍍有金屬鎳膜的布料或線具有良好的導(dǎo)電性能，如圖6所示，其電阻隨長度線性增加(即鎳膜均勻)，且單位長度電阻僅為1.48Ohm/cm。

其中，在本發(fā)明中，金屬鎳通過無電鍍方法制備。例如，以普通聚酯纖維線為例，在聚酯纖維線的表面鍍鎳金屬膜的典型合成方法為：利用金屬鈀離子Pd²⁺和金屬亞錫Sn²⁺離子作為催化劑，在含有鎳離子的反應(yīng)溶液中反應(yīng)生成金屬鎳。先將聚酯纖維線(或者布)用去離子水清洗，再依次浸入SnCl₂ 水溶液(10g/L SnCl₂和40mL/L 38％HCl)和PdCl₂水溶液(0.5g/L PdCl₂和20mL/L 38％HCl)各10分鐘，每次均需用去離子水清洗。然后將聚酯纖維線(或布)放入含鎳離子的反應(yīng)液中(17.5g/L NiSO₄、25g/L NaH₂PO₂·H₂O、30g/L H₃BO₃、15g/L Na₃C₆H₅O₇·2H₂O)，用質(zhì)量分數(shù)為10％的NaOH溶液調(diào)節(jié)PH值。通過控制反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度、以及反應(yīng)容液的PH值可以控制導(dǎo)電電極的導(dǎo)電性能。反應(yīng)溫度范圍可為25-100攝氏度，溶液PH范圍是7-12，反應(yīng)時間在室溫下通常為24小時，在80攝氏度的條件下反應(yīng)時間可縮短至10分鐘。

在本發(fā)明中，石墨烯通過水熱自組裝方法制備。例如，在前述金屬膜為金屬鎳膜的情況下，將鍍有金屬鎳膜的聚酯纖維線浸入2mg/mL的氧化石墨烯水溶液的封口瓶內(nèi)，加熱至80攝氏度并保溫2至6小時，即可在鍍鎳聚酯纖維線表面形成氧化石墨烯膜。接著，再用0.1mol/L的抗壞血酸水溶液在80攝氏度還原氧化石墨烯2至6小時，然后取出聚酯纖維線，并用去離子水洗掉殘留抗壞血酸，并自然干燥即可制得鍍有石墨烯膜的聚酯纖維線。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，上述關(guān)于金屬鎳和石墨烯的制備方法以及在該方法中使用的各溶液濃度含量及反應(yīng)條件均是示例性的，并非用于限定本發(fā)明。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以使用現(xiàn)有技術(shù)中已有的方式制備金屬鎳和石墨烯，本發(fā)明不對此進行限定。

根據(jù)本發(fā)明一種實施方式，所述高分子膜為聚對二甲苯(Parylene)高分子膜。其中，可以通過化學(xué)氣相沉積法在所述金屬鎳膜上形成Parylene高分子膜，在該方法中，使用Dichloro-[2,2]-paracyclophane(二氯對二甲苯二聚體)作為鍍膜的氣源。

根據(jù)本發(fā)明一種實施方式，固態(tài)電解質(zhì)層可以為凝膠狀固態(tài)電解質(zhì)層。例如PVA/H₃PO₄或PVA/LiCl。

以聚乙烯醇/磷酸凝膠電解質(zhì)(PVA/H₃PO₄)為例，其可以通過如下方法 制備，先將1g PVA/H₃PO₄加入10mL水中，并在90℃油浴中攪拌1小時，然后冷卻至室溫，加入1g濃磷酸溶液(質(zhì)量分數(shù)為85％)，由此得到凝膠狀固態(tài)電解質(zhì)溶液。之后，將兩個的形成有電極材料層的柔性基底浸泡在所述凝膠狀固態(tài)電解質(zhì)溶液中，取出后得到電容器部分20的兩個的電極，將所述兩個的電極接觸在一起得到電容器部分20。

類似地，上述的制備方法以及在該方法中使用的各溶液濃度含量及反應(yīng)條件均是示例性的，并非用于限定本發(fā)明。同樣，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以使用現(xiàn)有技術(shù)中已有的方式制備凝膠電解質(zhì)，本發(fā)明不對此進行限定。

雖然在上述實施方式中以線為例對本發(fā)明進行了描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，采用布料與采用線的情形是相類似，本發(fā)明不再贅述。例如，將所采用的線替換為一定寬度的布條即可，布條可以通過裁剪布料得到，其寬度例如可以為0.2cm至5cm，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實際情況進行設(shè)定。

本發(fā)明還提供一種采用上述實施方式中的自充電布發(fā)電的方法，其中，布料與所述自充電布的所述摩擦發(fā)電機部分10接觸/分離往復(fù)運動，在所述摩擦發(fā)電機部分10產(chǎn)生電能；或者，所述摩擦發(fā)電機部分10與人體皮膚相對運動，或兩個所述摩擦發(fā)電機部分10之間相對運動，在所述摩擦發(fā)電機部分10產(chǎn)生電能；或者，所述摩擦發(fā)電機部分10彎曲變形，在所述摩擦發(fā)電機部分10產(chǎn)生電能。

圖7是根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的自充電布的摩擦發(fā)電機部分的工作原理圖。圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的自充電布的摩擦發(fā)電機部分工作時的開路電壓和短路電流的示意圖。圖9是示出了根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的在不同運動頻率下摩擦發(fā)電機部分對電容器部分的充電曲線以及對應(yīng)的1μA電流的放電曲線。下面結(jié)合圖7至圖9描述本發(fā)明的摩擦發(fā)電機部分10的發(fā)電原理。在圖7至圖9中，以聚酯纖維、鎳膜和parylene為例進行說明。

本發(fā)明的摩擦發(fā)電機部分10可收集人體運動機械能。如圖7所示，當(dāng)一塊普通布和摩擦發(fā)電機部分10進行接觸時，摩擦起電效應(yīng)使得parylene表面形成負電荷，當(dāng)普通布遠離時，在兩個鎳電極間由于靜電感應(yīng)的作用電子通過外電路流動。當(dāng)進行接觸/分離的往復(fù)相對運動時，在摩擦發(fā)電機部分10產(chǎn)生電能，在外電路會形成往復(fù)流動的交變電流。隨著接觸/分離運動的頻率的增加，外電路的輸出短路電流也會增加(如圖8中的(b)所示)，但輸出開路電壓變化不大(如圖8中的(a)所示)。摩擦發(fā)電機部分10的發(fā)電還可通過摩擦發(fā)電機部分10與人體皮膚的相對運動、兩個摩擦發(fā)電機部分10之間的相對運動、以及單個摩擦發(fā)電機部分10本身的彎曲變形(由于自充電布本身具有較好的柔軟性，人體的運動相應(yīng)地帶動自充電布發(fā)生彎曲變形)來實現(xiàn)，在摩擦發(fā)電機部分10產(chǎn)生電能。本發(fā)明的自充電布使用柔性的布料或線作為基底材料，易于編織，透氣且柔性好。

本發(fā)明的摩擦發(fā)電機部分10和電容器部分20可編織到一張布中。在摩擦發(fā)電機部分10和電容器部分20間連接一個整流橋，即可將摩擦發(fā)電機部分10的輸出交變電流變?yōu)橹挥姓螂娏鬏敵?，從而可對電容器部?0充電。如圖9所示，當(dāng)發(fā)電布與普通布的往復(fù)運動頻率為5Hz時，2009秒鐘內(nèi)可將三個串聯(lián)的電容器充電至2.1V，并且充電后的電容器可在1μA電流下持續(xù)放電811秒鐘。當(dāng)往復(fù)運動頻率為10Hz時，充電時間僅需913秒鐘，且持續(xù)放電時間為808秒鐘。由此可見，本發(fā)明的自充電布可實現(xiàn)對人體運動能量的收集和存儲功能。

以上結(jié)合附圖詳細描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實施方式中的具體細節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發(fā)明的保護范圍。

另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合。為了避免不必 要的重復(fù)，本發(fā)明對各種可能的組合方式不再另行說明。

此外，本發(fā)明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開的內(nèi)容。