一种基于接触起电效应驱动离子通道的摩擦感应电池制造技术

本发明专利技术提供了一种基于接触起电效应驱动离子通道的摩擦感应电池，用以解决现有技术中摩擦纳米发电机内阻高的问题。所述摩擦感应电池通过摩擦发电层进行摩擦发电，基于摩擦发电产生的电荷，电极层产生感应电荷并进行传递，位于摩擦发电层与电极层之间的离子凝胶层在感应电场的作用下提供离子通道。本发明专利技术利用离子凝胶、摩擦材料和离子通道膜构建导电通道，并基于接触分离起电和静电感应产生电场，驱动凝胶中的电解质离子运动，增大电极表面电荷密度，从而减小摩擦感应电池内阻，提高输出电流。

【技术实现步骤摘要】
一种基于接触起电效应驱动离子通道的摩擦感应电池
本专利技术属于能源利用与转化领域，具体涉及一种基于接触起电效应驱动离子通道的摩擦感应电池。
技术介绍
环境能源收集纳米发电机，可收集环境中的能源被人类利用，工作原理是将两材料相互接触并发生相对运动，基于摩擦起电效应和静电感应效应收集两材料分离过程中产生的机械能。由于结构简单、新颖，成本低廉，工艺简单，输出性能良好，在便携式个人电子产品、智能环境监控以及微型器件供电等领域有良好的应用前景。但是，现有技术中的摩擦纳米发电机由于结构和材料的原因，内阻高达十几兆欧，导致了摩擦纳米发电机虽然有极高的输出电压，但输出电流却只有微安级别，从而限制了纳米发电机的广泛应用。
技术实现思路
为了提高摩擦纳米发电机的普适性，克服摩擦纳米发电机内阻高的问题，本专利技术提供了一种基于接触起电效应驱动离子通道的摩擦感应电池，提出并建立了离子通道模型，结合离子凝胶、摩擦材料和离子通道膜构建导电通道，并基于接触分离起电和静电感应产生电场，驱动凝胶中的电解质离子运动，增大表面感应电荷密度，从而减小摩擦感应电池内阻，提高输出电流。为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案。一种基于接触起电效应驱动离子通道的摩擦感应电池，其特征在于，包括：第一部件，用于进行摩擦发电，包括第一摩擦层(101)和第二摩擦层(102)；第二部件，用于基于第一部件的摩擦发电过程进一步产生感应电荷并进行传递，包括第一电极层(201)和第二电极层(202)；第三部件，包括富含电解质的离子凝胶层(30)，分别与第一部件和第二部件相接触，在第一部件和第二部件的电场作用下发生离子移动，产生离子通道；第四部件，弹性部件(40)，用于驱动第一摩擦层(101)和第二摩擦层(102)相互接触分离,进行摩擦发电。优选地，第一摩擦层(101)和第二摩擦层(102)相互在静电序列中具有差异；第二摩擦层(102)通过采用金属材料被构造成电极，用于产生和传递电荷。优选地，第一摩擦层(101)和第二摩擦层(102)具有相同的构型和尺寸，第二摩擦层(102)和第二部件采用相同的材料、构型和尺寸。优选地，第二摩擦层(102)、第一电极层(201)和第二电极层(202)，选用金属材料铜(Cu)，厚度为0.06-1mm。优选地，第一摩擦层(101)和第一电极层(201)相互紧密贴合，构造成摩擦感应电池的上级板；第二摩擦层(102)、离子凝胶层(30)和第二电极层(202)依次紧密贴合，共同构造成摩擦感应电池的下级板；第一摩擦层(101)和第二摩擦层(102)还通过弹性部件(40)相连接；弹性部件(40)通过自身弹性形变，驱动第一摩擦层(101)和第二摩擦层(102)相互接触分离，第二部件在摩擦起电和静电感应的作用下产生感应电荷，同时在第二摩擦层(102)和第二电极层(202)之间产生静电场，驱动离子凝胶层(30)中的离子定向进行移动。优选地，第一摩擦层(101)和/或第二摩擦层(102)相互对置的表面具有微纳结构。优选地，弹性部件(40)包括振动感应弹簧或可折叠PET弹性体。优选地，富含电解质离子的离子凝胶层(30)，由明胶和交联剂戊二醛制得，电解质是氯化钠晶体；离子凝胶层(30)厚度为2-5mm。优选地，第一摩擦层(101)，选用绝缘材料PTFE，厚度为0.01-0.06mm。优选地，摩擦感应电池通过第一电极层(201)和第二电极层(202)与外部系统电路连接。由上述本专利技术的实施例提供的技术方案可以看出，本专利技术实施例的一种基于接触起电效应驱动离子通道的摩擦感应电池，利用两个摩擦纳米发电机之间产生的电场作为驱动源，驱动凝胶中的电解质离子运动。另一方面，在两个摩擦纳米发电机之间填充凝胶层，混入电解质，增大了表面电荷密度，减小内阻，极大地提高输出电流。同时，基于微纳制造或3D打印的方法，制备成高密度、多单元的摩擦感应电池，进一步提高输出效率，提升输出电流。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术的一种基于接触起电效应驱动离子通道的摩擦感应电池的内部结构示意图；图2为本专利技术的一种基于接触起电效应驱动离子通道的摩擦感应电池的工作原理示意图；图3为图1所示凝胶层30中的离子通道；图4为本专利技术的一种基于接触起电效应驱动离子通道的摩擦感应电池中的节点；图5为对本专利技术的一种基于接触起电效应驱动离子通道的摩擦感应电池施加外力时输出电压曲线图；图6显示了对本专利技术的一种基于接触起电效应驱动离子通道的摩擦感应电池外力时输出电流曲线图；图7为本专利技术的一种基于接触起电效应驱动离子通道的摩擦感应电池内阻变化曲线图；图8为测试了不同外部负载电阻条件下的本专利技术的一种基于接触起电效应驱动离子通道的摩擦感应电池的功率；图9为本专利技术的一种基于接触起电效应驱动离子通道的摩擦感应电池的离子凝胶层中电解质的浓度与输出电流关系图；图10所示为本专利技术的优选实施例中的高密度、柔性可折叠摩擦感应电池结构示意图；图11所示为本专利技术的优选实施例中的高密度折叠能源转换电池结构示意图；图12所示为本专利技术的优选实施例中的级联电池结构示意图；图13所示为本专利技术的优选实施例中的能源采集装置结构示意图。附图标记说明：101、第一摩擦层102、第二摩擦层；201、第一电极层202、第二电极层203、内嵌电极；30、离子凝胶层301、高电解质浓度的离子凝胶302、低电解质浓度的离子凝胶；40、弹性部件；50、阳离子交换膜。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。本
技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本专利技术的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于接触起电效应驱动离子通道的摩擦感应电池，其特征在于，包括：/n第一部件，用于进行摩擦发电，包括第一摩擦层(101)和第二摩擦层(102)；/n第二部件，用于基于所述第一部件的摩擦发电过程进一步产生感应电荷并进行传递，包括第一电极层(201)和第二电极层(202)；/n第三部件，包括富含电解质的离子凝胶层(30)，分别与所述第一部件和第二部件相接触，在所述第一部件和第二部件的电场作用下发生离子移动，产生离子通道；/n第四部件，弹性部件(40)，用于驱动所述第一摩擦层(101)和第二摩擦层(102)相互接触分离,进行摩擦发电。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于接触起电效应驱动离子通道的摩擦感应电池，其特征在于，包括：
第一部件，用于进行摩擦发电，包括第一摩擦层(101)和第二摩擦层(102)；
第二部件，用于基于所述第一部件的摩擦发电过程进一步产生感应电荷并进行传递，包括第一电极层(201)和第二电极层(202)；
第三部件，包括富含电解质的离子凝胶层(30)，分别与所述第一部件和第二部件相接触，在所述第一部件和第二部件的电场作用下发生离子移动，产生离子通道；
第四部件，弹性部件(40)，用于驱动所述第一摩擦层(101)和第二摩擦层(102)相互接触分离,进行摩擦发电。


2.根据权利要求1所述的摩擦感应电池，其特征在于，所述第一摩擦层(101)和第二摩擦层(102)相互在静电序列中具有差异；所述第二摩擦层(102)通过采用金属材料被构造成电极，用于产生和传递电荷。


3.根据权利要求2所述的摩擦感应电池，其特征在于，所述第一摩擦层(101)和第二摩擦层(102)具有相同的构型和尺寸，所述第二摩擦层(102)和第二部件采用相同的材料、构型和尺寸。


4.根据权利要求3所述的摩擦感应电池，其特征在于，所述第二摩擦层(102)、第一电极层(201)和第二电极层(202)，选用金属材料铜(Cu)，厚度为0.06-1mm。


5.根据权利要求1所述的摩擦感应电池，其特征在于，所述第一摩擦层(101)和第一电极层(201)相互紧密贴合，构造成...

【专利技术属性】
技术研发人员：李修函，毕亚琪，秦勇，许巍，冯迪，刘双双，刘斯达，王宝龙，贾凌杰，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京;11