基于織物的自充電能量設備及其制備方法與流程

本發明涉及可穿戴電子設備技術領域，尤其涉及一種基于織物的自充電能量設備及其制備方法。

背景技術：

在輕便、柔性襯底上加工可穿戴電子設備是滿足如今便攜式電子快速發展的一種有效可行方案，而對于這些可穿戴設備，如何有效地進行能量采集與供給是十分重要的部分。近年來，一些集成化的自驅動能量系統開始應用于可穿戴設備中，并展現出很穩定的性能。其中，通過摩擦發電機有效采集外界振動能并轉換成電能，存儲于超級電容器中，可以滿足低功耗電子器件的供能需求，受到科研學者的廣泛關注。

對于此類具有自充電能力的可穿戴能量單元，王中林教授研究組進行了大量的探索，提出了一種通過同時采集環境光中的太陽能與人體運動的機械能的能量采集器件，存儲于柔性超級電容器中，并可以在多種環境下穩定工作的纖維狀自驅動織物器件，展現出較好的性能。此外，相比于可充電電池和傳統電容器等能量存儲器件，超級電容器具有高功率密度、充放電速度快、循環穩定性強等優勢，柔性的固態超級電容器可以滿足可穿戴設備與柔性電子器件的需求，適用于各類柔性可穿戴設備中。

然而，現有的超級電容器通過太陽能電池供電，考慮到太陽能電池依賴于環境光源的影響，并不能實時采集能量，應用場合受到一定限制，另一方面，現有的超級電容器中的纖維狀能量采集與存儲器件制備工藝較為復雜，并不適用于大規模批量化生產。

技術實現要素：

本發明的實施例提供了一種基于織物的自充電能量設備及其制備方法，以實現通用的同時適用于能量采集與能量存儲的自充電能量設備。

為了實現上述目的，本發明采取了如下技術方案。

根據本發明的一個方面，提供了一種基于織物的自充電能量設備，包括：柔性電極、固態電解質和柔性隔膜，在所述柔性隔膜的兩側覆蓋所述固態電解質，將兩側覆蓋固態電解質的柔性隔膜夾于兩片柔性織物電極中間，所述固態電解質與所述柔性織物電極接觸，得到柔性超級電容器。

進一步地，將柔性織物電極與所述柔性超級電容器貼附于衣物表面，并且所述柔性織物電極與所述柔性超級電容器通過整流橋連接。

進一步地，所述柔性電極為柔性織物附著多壁碳納米管，所述固態電解質為凝膠聚合物，所述柔性隔膜為柔性半透膜材料。

根據本發明的另一個方面，提供了一種基于織物的自充電能量設備的制備方法，包括：

步驟1、通過稱量將碳納米管與表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉混合，并加入到去離子水中，所述碳納米管與所述表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉溶解在去離子水中，得到碳納米管溶液；

步驟2、通過滴加烘干的方式將所述碳納米管溶液滴在柔性織物表面，并進行烘干操作，多次滴加烘干操作后至柔性織物表面的碳納米管溶液濃度飽和，作為柔性織物電極；

步驟3、通過磁力攪拌的方法將凝膠聚合物加入到去離子水中，至溶液透明，得到凝膠聚合物溶液，將所述凝膠聚合物溶液作為固態電解質；

步驟4、將柔性隔膜浸入所述固態電解質中，設定放置時間，使柔性隔膜兩側覆蓋一層固態電解質；

步驟5、通過應力按壓的方式，將柔性隔膜夾于兩片柔性織物電極中間，得到超級電容器；

步驟6、將所述超級電容器置于烘箱中，除去超級電容器中殘留的水分子后，將超級電容器貼附于衣物表面，得到可穿戴式柔性超級電容器；

將所述柔性織物電極縫織在衣物表面，得到單表面摩擦發電機；

將所述單表面摩擦發電機與所述可穿戴式柔性固態超級電容器通過整流橋集成連接，得到基于織物的自充電能量設備。

進一步地，所述的步驟1還包括：

通過水浴超聲的方法，使所述碳納米管與所述表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉接觸，溶解在去離子水中，得到碳納米管溶液。

進一步地，所述水浴超聲中的超聲溫度為常溫，超聲時間為4-6小時

進一步地，所述步驟1中的所述碳納米管與所述表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉的質量各為30-150mg，所述去離子水的體積為30-150ml。

進一步地，所述步驟2中的柔性織物的面積大小為0.01-100cm²，單次烘干溫度為80℃，單次烘干時間為0.5小時。

進一步地，所述步驟6中的烘箱的烘干溫度為45℃，烘干時間為12小時。

進一步地，所述步驟3中的凝膠聚合物包括聚乙烯醇與磷酸、聚乙烯醇與硫酸、或者聚乙烯醇與氯化鋰的聚合物。

由上述本發明的實施例提供的技術方案可以看出，本發明實施例提供的基于織物的自充電能量設備，采用通用的柔性織物電極，易于貼附于各類衣物表面，可以同時應用于能量采集與能量存儲器件中，制備工藝簡單、集成度高。

本發明附加的方面和優點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，或通過本發明的實踐了解到。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的一種基于織物的自充電能量設備的結構示意圖。

圖2為本發明的柔性織物電極掃描電鏡照片。

圖3為本發明的單表面摩擦發電機的輸出電壓波形。

圖4為本發明的自充電能量設備的充電波形。

具體實施方式

下面詳細描述本發明的實施方式，所述實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號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。

本技術領域技術人員可以理解，除非特意聲明，這里使用的單數形式“一”、“一個”、“所述”和“該”也可包括復數形式。應該進一步理解的是，本發明的說明書中使用的措辭“包括”是指存在所述特征、整數、步驟、操作、元件和/或組件，但是并不排除存在或添加一個或多個其他特征、整數、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應該理解，當我們稱元件被“連接”或“耦接”到另一元件時，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”可以包括無線連接或耦接。這里使用的措辭“和/或”包括一個或更多個相關聯的列出項的任一單元和全部組合。

本技術領域技術人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本發明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

為便于對本發明實施例的理解，下面將結合附圖以幾個具體實施例為例做進一步的解釋說明，且各個實施例并不構成對本發明實施例的限定。

實施例一

本發明實施例設計了一種通用的可穿戴式電極，同時適用于能量采集與能量存儲器件，通過收集人體各種運動形式的能量，將其高效存儲起來，為各類可穿戴設備直接供能，實現基于織物的自充電能量設備的目標。

本發明提供了一種基于織物的自充電能量設備，該裝置包括：柔性電極、固態電解質和柔性隔膜。所述柔性電極為柔性織物附著多壁碳納米管(carbon nanotube，CNT)或其他具有柔性特質的電極；所述固態電解質為凝膠聚合物，包括聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)與磷酸(H₃PO₄)、硫酸(H₂SO₄)或氯化鋰(LiCl)等的聚合物；所述柔性隔膜為柔性半透膜材料，如商用NKK TF44系列隔膜。

本發明還提供了一種基于織物的自充電能量設備的制造方法，包括以下步驟：

步驟1)、通過稱量將CNT與表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉(sodium dodecyl benzene sulfonate,SDBS)混合加入去離子水(deionized water,DI)中；

CNT與SDBS的質量可以各為30-150mg，DI的體積為30-150ml。

步驟2)、通過水浴超聲的方法，使CNT與SDBS充分接觸，完全溶解在DI中，得到碳納米管溶液(CNT ink)；

其中，超聲溫度為常溫，超聲時間為4-6小時。

步驟3)、通過滴加烘干的方式，將CNT ink滴在柔性織物表面，并進行烘干操作，多次滴加烘干后至柔性織物的CNT濃度完全飽和，作為柔性織物電極；

柔性織物的面積大小為0.01-100cm²，單次烘干溫度為80℃，單次烘干時間為0.5小時。

步驟4)、通過磁力攪拌的方法，將PVA、H₃PO₄加入DI中，磁力輔助下高速攪拌，至溶液清澈透明，得到凝膠聚合物，作為固態電解質；

步驟5)、將柔性隔膜浸入PVA/H₃PO₄固態電解質中，放置五分鐘，使兩者充分接觸，柔性隔膜兩側均勻覆蓋一層固態電解質；

步驟6)、通過應力按壓的方式，將柔性隔膜夾于兩片柔性織物電極中間，施加一定的應力，使三者充分接觸，得到三明治結構的超級電容器；

步驟7)、通過恒溫烘干的方式，將超級電容器置于烘箱中，除去器件中殘留的水分子，貼附于普通衣物表面，得到可穿戴式柔性超級電容器；

其中，烘干溫度為45℃，烘干時間為12小時。

步驟8)、將制得的柔性織物電極縫織在普通衣物表面，得到單表面摩擦發電機；

步驟9)、將制得的單表面摩擦發電機與可穿戴式柔性固態超級電容器通過整流橋集成連接，得到基于織物的自充電能量服。

以上所述制備步驟，其工藝順序并非固定不變，根據實際需要可調整工藝順序或刪減工藝步驟。

實施例二

參照圖1，圖1為本發明基于織物的自充電能量設備的結構示意圖，其結構包括：柔性織物電極1，柔性織物電極2，PVA/H₃PO₄固態電解質3，柔性隔膜4，PVA/H₃PO₄固態電解質5，柔性織物電極6。參照圖2，圖2為本發明的柔性織物電極的掃描電鏡照片。參照圖3，圖3為本發明的單表面摩擦發電機的輸出電壓波形。參照圖4，圖4為本發明的自充電能量設備的充電波形。則圖1所示裝置的制備步驟如下：

步驟1：通過稱量方式得到CNT與SDBS粉末，將二者混合均勻加入DI中；

步驟2：通過水浴超聲的方法，將得到的溶液常溫下超聲4小時，使CNT與SDBS充分接觸，并完全溶解于DI中，得到分散均勻的CNT ink；

步驟3：利用滴加烘干的工藝，將CNT ink滴涂在柔性織物表面，完全滲透后烘干，重復滴加烘干多次后至柔性織物的CNT濃度完全飽和，作為柔性電極1，2，6；

步驟4：通過磁力攪拌的方法，得到清澈透明的PVA/H₃PO₄固態電解質，將柔性隔膜4浸入，放置五分鐘使其與電解質充分接觸，兩側均勻覆蓋固態電解質3，5；

步驟5：通過按壓貼合的方式，將兩側覆蓋固態電解質3，5的柔性隔膜4夾于兩片柔性織物電極2，6中間，充分接觸，得到三明治結構的柔性超級電容器，置于恒溫烘箱中，除去器件中殘留的水分子，得到三明治結構的柔性超級電容器；

步驟6：將柔性織物電極1與柔性超級電容器貼附于衣物表面，通過整流橋連接，得到基于織物的自充電能量設備。

圖4為本發明的自充電能量設備的充電波形，參照圖4，本發明實施例的自充電能量設備在人體普通跑步的過程中，在6分鐘內可以將柔性超級電容器充電至100mV。

綜上所述，本發明實施例提供的基于織物的自充電能量設備具有如下的優點：

1、本發明提出的基于織物的自充電能量設備，采用通用的柔性織物電極，易于貼附于各類衣物表面，可以同時應用于能量采集與能量存儲器件中，制備工藝簡單、集成度高。

2、本發明提出的基于織物的自充電能量設備與其他能量單元相比，不受外界環境的影響，直接采集人體各種形式的運動能，實現了外界機械能到電能的高效采集與存儲。

3、本發明提出的制造方法均采用實驗室基本工藝加工制備，不涉及高成本加工工藝，具有成本低的特點，加工制備方法簡單，具有可大規模批量化生產的可能性。

本領域普通技術人員可以理解：附圖只是一個實施例的示意圖，附圖中的模塊或流程并不一定是實施本發明所必須的。

本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對于裝置或系統實施例而言，由于其基本相似于方法實施例，所以描述得比較簡單，相關之處參見方法實施例的部分說明即可。以上所描述的裝置及系統實施例僅僅是示意性的，其中所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個地方，或者也可以分布到多個網絡單元上。可以根據實際的需要選擇其中的部分或者全部模塊來實現本實施例方案的目的。本領域普通技術人員在不付出創造性勞動的情況下，即可以理解并實施。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。