一種柔性發電裝置及其制造方法制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了一種柔性發電裝置，包括：由高分子聚合物絕緣層和沉積在該高分子聚合物絕緣層上表面的第一金屬導電層共同組成的第一組件，以及由柔性基底和沉積在該柔性基底上表面的第二金屬導電層共同組成，其中第一、第二金屬導電層的邊緣分別形成有第一和第二電極，所述第一、第二組件通過封裝工藝在其外側邊緣予以聯接，并且高分子聚合物絕緣層的下表面與第二金屬導電層的上表面之間相互對置并具備一定間隙。本發明專利技術還公開了相應的制造方法。本發明專利技術中通過對用于產生電流的功能元件的材料和工作原理、配套結構及其制造工藝等方面進行改進，相應可獲得結構緊湊、低成本、便于加工制造并且具備更高功率輸出的發電裝置。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于機械能轉化為電能的發電
，更具體地，涉及一種具備高電能輸出并且結構緊湊、便于加工制造的柔性發電裝置及其制造方法。
技術介紹
近年來，能源危機愈演愈烈，環保節能的意識已經深入人心，如何充分有效地利用能源及收集能源正成為一個重要的課題。除了常規的火力、風力發電技術之外，對其他發電技術，如光輻射直接轉變為電能、應用流體的離子化將熱能，特別是直接將動能轉變為電能等新技術正獲得日益關注。此外，隨著現代化制造技術的發展，個人電子產品向著柔性、微 型、低功耗、多功能一體化方向的發展成為了一種趨勢。這種低功耗的個人電子產品的問世使得通過收集環境中的能量并直接為其供能變得現實可行。在日常生活中存在著大量機械能，如輪胎等工具的轉動、人體自身的運動，海浪、空氣運動等廣生的機械能等。因此，環境中的機械能是一個非常有潛力的能源來源，如果能有效收集環境中的機械能并將其轉化成電能，這部分能量足以驅動許多低功耗的個人電子產品。相應地，能夠將環境中的機械能有效轉換成電能的柔性發電裝置已經問世。傳統的柔性發電裝置主要是基于壓電效應而制作的柔性發電機。例如，已經開發出了一種基于氧化鋅、聚四氟乙烯、鋯鈦酸鉛等一維納米材料的壓電效應并呈現多種形式的柔性納米發電機。但是，此類發電機的制作工藝相當復雜，成本高昂，因此不利于大規模工業生產和推廣使用。而且，該壓電發電機的輸出功率普遍較低，大部分處在微瓦每平方厘米級別，輸出電流一般為數微安，輸出電壓只有幾伏，因此并不足以驅動多種類型的個人電子產品。為了開發出更加簡單、廉價和高效的柔性發電機，日常生活中普遍存在的摩擦生電效應得到了關注。美國喬治亞理工大學的王中林教授課題組研究開發出了一種基于摩擦生電效應的柔性摩擦發電機，其利用在摩擦帶電效應序列中處于不同位置的兩種絕緣聚合物材料之間的摩擦,可成功獲得電能,并通過改變材料的表面形貌來進一步提高發電機的性能。這種柔性摩擦發電機由于具備較好的可加工型和耐用性，可應用于譬如觸摸屏之類的自驅動系統，或是用作自驅動壓力傳感器之類的裝置。然而，這種基于絕緣體之間的摩擦生電效應的柔性摩擦發電機的輸出功率仍然不夠高，測試表明其最大輸出功率密度為2. 34μΙ/αιι2，輸出電流O. 13 μ A/cm2,電壓為18V，因此仍然不足以直接驅動許多種類的個人電子產品。相應地，本領域中存在著對柔性發電裝置的結構及工作原理做出進一步改進，以便獲得更高功率輸出的新型柔性發電機的技術需求。
技術實現思路
針對現有技術的以上缺陷和技術需求，本專利技術的目的在于提供，其通過對用于產生電流的功能元件的材料和工作原理、配套結構及其制造工藝等方面進行改進，相應可獲得結構緊湊、低成本、便于加工制造并且具備更高功率輸出的發電裝置。按照本專利技術的一個方面，提供了一種柔性發電裝置，該柔性發電裝置包括第一組件，該第一組件由高分子聚合物絕緣層和沉積在該高分子聚合物絕緣層上表面的第一金 屬導電層共同組成，并且所述第一金屬導電層的邊緣形成有第一電極；第二組件，該第二組件由柔性基底和沉積在該柔性基底上表面的第二金屬導電層共同組成，并且所述第二金屬導電層的邊緣形成有第二電極，其中所述第一、第二組件通過封裝工藝在其外側邊緣予以聯接，并且所述高分子聚合物絕緣層的下表面與所述第二金屬導電層的上表面之間相互對置并具備一定間隙。通過以上構思，當使用該柔性發電裝置時，通過從第一、第二電極引線連通并按壓第一和第二組件使其高分子聚合物絕緣層與第二金屬導電層之間的間隙發生改變，在此彎曲和恢復的過程中，電容也會隨著發生變化，并導致電子在電極兩端的外部電路中來回振蕩，進而形成為交流電流。尤其是，通過較多的試驗測試表明，當將按照本專利技術的單個柔性發電裝置與譬如50個的商用LED串聯時，電輸出可達到130V的峰值電壓，輸出電流33微安，輸出功率的峰值密度為O. 7暈瓦/平方厘米,其與現有技術相比,大幅度提聞了輸出功率，并能夠直接用于驅動多種低功率的電子產品；此外，該柔性發電裝置整體采用柔性材料制成，可以折疊彎曲，便于加工，發電穩定性好，因此適用于在柔性電子學以及其他個人、日常生活等各種場合的廣泛應用。作為進一步優選地，所述高分子聚合物絕緣層由選自聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚酰亞胺、聚乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯這些材料中的一種構成，所述第二金屬導電層由金、銀、銅、鋁等材料構成。通過以上對高分子聚合物絕緣層的具體材質的選擇，其在具備良好的耐熱性、耐溶劑性以及便于折疊彎曲和沉積加工的同時，還能夠在與第二金屬導電層之間的間隙發生改變并導致電子在電極兩端來回振蕩的過程中更好地吸附大量電荷，由此便于形成更大輸出功率的交流電流；此外，通過將用于形成第二金屬導電層的材質限定為金、銀、銅、鋁等材料，大量的對比測試結果表明，其能夠與以上材質的高分子聚合物絕緣層很好地配合工作，通過簡單的按壓動作即可產生與現有技術相比更高的輸出功率，并可直接為多種電子產品供能及使用。作為進一步優選地，所述高分子聚合物絕緣層的下表面加工形成有多個微納米的凹凸結構。通過在高分子聚合物絕緣層的下表面加工形成有多個微納米的凹凸結構，可以進一步增加其表面積并提聞其吸附電荷的能力，相應地，當這種具有微納米凹凸結構的聞分子聚合物絕緣層與第二金屬導電層之間的間隙發生改變時，其能量輸出效率會大幅度提高，由此進一步擴大柔性發電裝置的適用范圍。作為進一步優選地，形成在高分子聚合物絕緣層下表面的所述凹凸結構的平均尺寸為10(Γ400納米。通過將形成在高分子聚合物絕緣層下表面的凹凸結構的尺寸做出以上具體限定，較多的對比測試表明，其一方面能夠吸附更多的電荷，并確保柔性發電裝置具備符合大多數實際運用場合需求的電能輸出效率，另一方面便于以常規方式進行加工，并適于大批量流水線的制造過程。作為進一步優選地，所述柔性基底由柔性高分子聚合物、紙質或纖維材料構成，所述第一金屬導電層由銅、鋁或者氧化銦錫等材料構成。通過將柔性基底的具體材質做成以上限定，加工原料豐富并且能夠方便地獲得，相應可降低生產成本，同時便于其沉積材料的加工制造，提高加工效率；此外，通過選擇采用銅、鋁或者氧化銦錫等材料來構成第一金屬導電層，其能夠較好地執行對所形成交流電的電壓和電流輸出，同時在按照本專利技術的柔性發電裝置與其他元件較好地配合，并實現大輸出功率的交流電流。按照本專利技術的另一方面，還提供了相應的制造方法，該制造方法包括(a)第一組件的制備步驟將選自聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚酰亞胺、聚乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯這些材料中的一種的柔性高分子聚合物切割成所需尺寸的片狀結構，使用去離子水和酒精清洗處理后用氮氣吹干，然后通過磁控濺射或蒸鍍法在該片狀結構的上表面 上沉積形成第一金屬導電層，該第一金屬導電層的邊緣被加工形成第一電極并做引線處理；(b)第二組件的制備步驟將由柔性聚合物高分子、紙質或纖維材料構成的柔性基底切割成所需尺寸的片狀結構，使用去離子水和酒精清洗處理后用氮氣吹干，然后通過磁控濺射或蒸鍍法在該片狀結構的上表面上沉積形成第二金屬導電層，該第二金屬導電層的邊緣被加工形成第二電極并做引線處理；(c)柔性發電裝置的封裝步驟將通過步驟(a)、(b)所制得的第一和第二組件通過封裝工藝在其外側邊緣予以聯接，并本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種柔性發電裝置，其特征在于，該柔性發電裝置包括：第一組件，該第一組件由高分子聚合物絕緣層和沉積在該高分子聚合物絕緣層上表面的第一金屬導電層共同組成，并且所述第一金屬導電層的邊緣形成有第一電極；第二組件，該第二組件由柔性基底和沉積在該柔性基底上表面的第二金屬導電層共同組成，并且所述第二金屬導電層的邊緣形成有第二電極，其中：所述第一、第二組件通過封裝工藝在其外側邊緣予以聯接，并且所述高分子聚合物絕緣層的下表面與所述第二金屬導電層的上表面之間相互對置并具備一定間隙。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：周軍，鐘俊文，鐘其澤，王中林，
申請(專利權)人：華中科技大學，
類型：發明
國別省市：