基于非对称介电层的发电机和发电方法技术

本发明专利技术公开了一种基于非对称介电层的发电机和发电方法，该发电机包括起电层、接触设置在所述起电层下表面的第一介电层和第二介电层，以及，分别设置在所述第一介电层和第二介电层下表面的第一电极层和第二电极层；当表面得失电子能力不同的接触物与所述起电层接触分离或者滑动时，不同介电层对起电层表面电荷产生的电场进行调制，在所述第一电极层和第二电极层之间形成电势差，该电势差在连接外电路时可驱动电子形成电流。将机械能转变为电能的过程中，两个电极层不需要相对运动即可实现发电，有利于发电机的封装和与其他器件的配合使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及能量转化领域，具体涉及利用材料介电性质将接触物体的机械能转化为电能的发电机和发电方法。
技术介绍
摩擦是自然界中普遍存在的现象，自2012年提出利用不同材料接触摩擦起电收集环境中的机械能转化为电能以后，就因其特有的优势受到广泛关注。利用材料接触摩擦起电效应和静电感应效应的发电机，可以将环境中的机械能如身体滑动、衣物接触等机械能转化为可利用的电能。但是目前大部分发电机输出的正负电极属于分离的两部分，不利于发电机的包装和植入性应用。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术的目的是将摩擦发电与材料介电性质相耦合，实现收集滑动和接触能。解决电极移动不利于封装和植入应用的问题，提高摩擦发电机的应用实用性。(二)技术方案为实现上诉目的，本专利技术提出一种基于非对称介电层的发电机，包括：起电层；接触设置在所述起电层下表面的第一介电层和第二介电层；以及，分别设置在所述第一介电层和第二介电层下表面的第一电极层和第二电极层；当接触物与所述起电层接触分离或者滑动时，在所述第一电极层和第二电极层之间形成电势差，所述起电层上表面与所述接触物表面材料的得失电子能力不同。优选的，所述第一介电层和第二介电层的材料介电常数不同。优选的，所述第一介电层和第二介电层的形状相同或不同，和/或，所述第一介电层和第二介电层的厚度相同或不同。优选的，所述第一介电层和第二介电层的材料相同，所述第一介电层和第二介电层的面积和/或厚度不同。优选的，所述第一介电层和/或第二介电层的间距为10纳米-1厘米。优选的，所述第一介电层和/或第二介电层的形状为条形或者环形。优选的，所述第一介电层和/或第二介电层为图形化结构。优选的，所述第一介电层和第二介电层均为插齿型结构，插齿互相交错设置在所述起电层的下表面；或者，所述第一介电层和第二介电层均为条状，分别以螺旋盘绕形状设置在所述起电层的下表面，两个介电层互相交错形成双层的螺旋结构。优选的，所述第一介电层和第二介电层的形状相同。优选的，所述第一介电层和/或第二介电层的材料为无机介电材料、高分子介电材料或者为参杂无机介电材料的高分子介电材料。优选的，所述第一介电层和第二介电层的材料具体为尼龙膜和聚四氟乙烯膜，或者软聚氯乙烯和尼龙，或者在上述高分子材料薄膜中参杂钛矿相结构的钛酸钡系和钛酸铅系材料。优选的，所述第一介电层和第二介电层的厚度范围为10纳米-1cm。优选的，介电层为无机介电材料或者参杂无机介电材料的高分子介电材料时，所述厚度范围优选为10纳米-20微米；介电层为高分子介电材料时，所述厚度范围为20微米-500微米。优选的，所述起电层的材料为导体、绝缘体或者半导体。优选的，所述起电层的厚度为10纳米-500微米。优选的，所述第一电极层和第二电极层上表面位于同一水平面。优选的，所述起电层、第一介电层、第二介电层、第一电极层和/或第二电极层为柔性材料。相应的，本专利技术还提供一种发电方法，采用上述任一项所述的发电机，所述接触物与所述起电层接触分离或者互相滑动摩擦使所述起电层带有表面电荷，所述第一介电层和第二介电层对所述起电层在所述第一电极层和第二电极层上的电场的调制作用，使所述第一电极层第二电极层之间形成电势差。(三)有益效果与现有技术相比，该基于非对称介电层的发电机具有下列优点：首先，第一电极层和第二电极层固定设置于起电层材料和介电层材料之下，利用了不同介电层(材料不同，或者厚度和面积不同)的调制作用，实现将机械能转变为电能，两个电极层不需要相对运动即可实现发电，利于发电机的封装和与其他器件的配合使用，并且使电极层不易于发生损坏。其次，多层柔性薄膜器件结构可将发电机设置在多种接触和滑动环境中，既可以置入衣物表层或里层、贴在鼠标垫和写字台桌表面等。基于非对称介电层的发电机结构简单，使用的材料均为半导体器件制备领域常用的材料，发电机制备方法简单，成本低廉，可以在机械能转化为电能领域广泛使用。附图说明通过附图所示，本专利技术的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于表示出本专利技术的主旨。图1为基于非对称介电层的发电机的结构示意图；图2为基于非对称介电层的发电机的工作原理示意图；图3和图4为发电机的介电层为图形化结构的示意图；图5a及图5b为一个具体发电机的开路电压和短路电流输出图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属
中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本专利技术的保护范围。图1是基于非对称介电层的发电机的典型结构示意图，发电机包括起电层1，接触设置在起电层1下表面的第一介电层2和第二介电层3，以及分别设置在第一介电层2和第二介电层3下表面的第一电极层41和第二电极层42。起电层1上表面和环境中的物质相互接触，发生相对滑动或接触分离，起电层1表面产生摩擦电荷，摩擦电荷产生的电场被介电层2和3调制，在第一电极层41和第二电极层42之间产生电势差，可以对外产生电压或电流输出。第一介电层2(或第二介电层3)选择的介电材料的介电常数越大，对起电层1表面电荷产生的电场造成的衰减越大，且介电层内部电场强度越低，因而介电层上下表面电势差越小。第一介电层2和第二介电层3的上表面均位于起电层下方，具有相同的电势，故两介电层2和3的介电常
数相差越大，其下方的电势相差越大，即在两个电极层41和42之间的电压输出越大。基于非对称介电层的发电机工作原理参见图2，当接触物5与起电层1上表面接触时，由于二者表面得失电子能力不同，接触摩擦起电使接触物5与起电层1表面带有等量异号摩擦电荷，如图2中a图所示。当接触物5与起电层分开时，起电层1表面电荷产生的电场经过第一介电层2和第二介电层3的调制在第一电极层41和第二电极层42之间存在电势差，并驱动电荷在外电路中移动直到两电极层的电势差为零，如图2中b、c图所示。当接触物5接近起电层1时，接触物5表面电荷在电极层41和42产生与起电层1电荷相反的电场，随着接触物5的接近至完全接触起电层1其电场不断增大并达到与起电层1的电场相抵消。这个过程中随着接触物5的接近其表面电荷产生的电场驱动两个电极层41和42上的电荷流动，产生与分离时相反的电流，如图2中d图所示。当接触无5与起电层1完全接触时，两个电极层41和42之间的电势差为零，外电路中无电荷流动，如图2中a图所示。当接触物5反复与发电机的起电层1接触和分离，在两个电极层41和42之间可以产生脉冲电信号。本专利技术利用材料的介电特性和摩擦起电效应收集环境中的机械能，发电机的起电层与环境中接触物的材料接触或滑动产生摩擦电荷通过介电层不同介电材料的电场调制实现电势差(电压和电流输出)。起电层1与周围的接触物本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于非对称介电层的发电机，其特征在于，包括：起电层；接触设置在所述起电层下表面的第一介电层和第二介电层；以及，分别设置在所述第一介电层和第二介电层下表面的第一电极层和第二电极层；当接触物与所述起电层接触分离或者滑动时，在所述第一电极层和第二电极层之间形成电势差，所述起电层上表面与所述接触物表面材料的得失电子能力不同。

【技术特征摘要】
1.一种基于非对称介电层的发电机，其特征在于，包括：起电层；接触设置在所述起电层下表面的第一介电层和第二介电层；以及，分别设置在所述第一介电层和第二介电层下表面的第一电极层和第二电极层；当接触物与所述起电层接触分离或者滑动时，在所述第一电极层和第二电极层之间形成电势差，所述起电层上表面与所述接触物表面材料的得失电子能力不同。2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述第一介电层和第二介电层的材料介电常数不同。3.根据权利要求1或2所述的发电机，其特征在于，所述第一介电层和第二介电层的形状相同或不同，和/或，所述第一介电层和第二介电层的厚度相同或不同。4.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述第一介电层和第二介电层的材料相同，所述第一介电层和第二介电层的面积和/或厚度不同。5.根据权利要求1-4任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一介电层和/或第二介电层的间距为10纳米-1厘米。6.根据权利要求1-5任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一介电层和/或第二介电层的形状为条形或者环形。7.根据权利要求1-5任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一介
\t电层和/或第二介电层为图形化结构。8.根据权利要求7所述的发电机，其特征在于，所述第一介电层和第二介电层均为插齿型结构，插齿互相交错设置在所述起电层的下表面；或者，所述第一介电层和第二介电层均为条状，分别以螺旋盘绕形状设置在所述起电层的下表面，两个介电层互相交错形成双层的螺旋结构。9.根据权利要求7或8所述的发电机，其特征在于，所述第一介电层和第二介电层的形状相同。10.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱光，赵雪娇，王中林，
申请(专利权)人：北京纳米能源与系统研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11