[发明专利]基于离子热运动的发电原理和器件结构设计

说明书

技术领域

本发明涉及离子热运动在发电领域的应用，提出了利用离子热运动发电的原理，并设计了五种利用离子热运动发电的技术方案。

背景技术

离子热运动的动能是由温度决定的，即离子热运动的速度是由离子所处的环境温度决定的。在室温27℃，即300K时，离子的热运动速度为100～500m/S，这样高的速度对应的单个离子能量约为10^-2V。在高浓度离子溶液中，离子的总能量可以达到很大的数值。在水溶液中，热容高达4200J/kg/K。

目前，在纳米材料发电领域，有使用碳纳米管、石墨烯发电的报道。但是，这些研究均是以水流的机械能作为能量来源，限制了这些材料的应用范围。

传统热力学研究中认为，离子的热运动过于分散，是难以被收集并利用的。但在先前的研究中，申请人发现离子热运动能量可以被石墨烯捕获，从而用来发电。但是，石墨烯材料本身较为昂贵，制作过程较为复杂，限制了这一原理的应用范围和实用化。

发明内容

本发明根据双电层理论，详细阐述了将离子热运动转化为电能的机理：根据双电层理论，在溶液中，固体表面常因表面基团的解离或自溶液中选择性地吸附某种离子而带电，与此同时，带电表面附近的液体中必有与固体表面电荷数量相等但符号相反的多余的反离子。这一被固体表面的导电层和附近溶液中的反离子构成双电层。根据0.斯特恩的观点，一部分反离子由于电性吸引或非电性的特性吸引作用而和表面紧密结合，构成吸附层(或称斯特恩层)。其余的离子则扩散地分布在溶液中，构成双电层的扩散层(或称古伊层)。双电层由于电荷分离而造成的固液两相内部的电位差，形成表面电势。

但是，在离子所处的环境高于绝对零度后，离子开始做热运动，这一热运动将是根据双电层理论形成的表面电势处于动态的波动中，当电势有变化时，即对时间微分不为零时，即有电流产生。温度越高，离子热运动的最概然速度越高，从而导致表面电势波动速度越快，所产生的电量越多。

为充分利用离子热运动的能量进行发电，本发明提出了以下技术方案：

技术方案一：一种利用离子热运动发电的器件结构设计，包括了容器外壳、离子盐溶液、第一电极、第二电极、两根金属导线；

容器外壳形成密闭空间，将盐溶液、电极包裹在容器内部；

离子盐溶液盛放在容器中；

该离子盐溶液含有下列离子中的一种、两种或者多种混合离子：铜离子、铁离子、钴离子、镍离子、锌离子、钾离子、钠离子、锰离子、铝离子、钙离子、镁离子、锂离子；

该第一电极、第二电极由导电材料制作；

两根金属导线分别连接两个电极，将所发的电导出至容器外部；

技术方案二：一种利用离子热运动发电的器件结构设计，包括了一块导电薄膜、衬底、第一电极、第二电极、两根金属导线、离子盐溶液、容器外壳；

一块导电薄膜由含有下列材料中的一种、两种或者多种材料组成的薄膜组成：包括半导体薄膜、金属薄膜，含金属元素的硫化物薄膜、硒化物薄膜、氧化物薄膜，有机高分子导电薄膜等有机导电薄膜；

该导电薄膜黏附在衬底上；

衬底可以是玻璃、石英、PET、塑料板等绝缘衬底，亦可以由金属板、半导体薄片以及其他非绝缘衬底组成，衬底材料可以和薄膜材料组成相同；

该第一电极、第二电极由导电材料制作而成；

第一电极沉积在导电薄膜的一端，接触导电薄膜；

第二电极沉积在导电薄膜的另一端，也接触导电薄膜；

两根金属导线分别连接两个电极，将所发的电导出至容器外部；

容器外壳形成密闭空间，将盐溶液、电极包裹在容器内部；

离子盐溶液盛放在容器中；

该离子盐溶液含有下列离子中的一种、两种或者多种混合离子：铜离子、铁离子、钴离子、镍离子、锌离子、钾离子、钠离子、锰离子、铝离子、钙离子、镁离子、锂离子；

将衬底、第一电极、第二电极、导电薄膜、导线封装成为一个整体，浸入盐溶液中。

技术方案三：一种利用离子热运动发电的器件结构设计，包括了一块导电薄膜、衬底、第一电极、第二电极、两根金属导线、离子盐溶液、容器外壳；

一块导电薄膜由含有下列材料中的一种、两种或者多种材料组成的薄膜组成：包括半导体薄膜、金属薄膜，含金属元素的硫化物薄膜、硒化物薄膜、氧化物薄膜，有机高分子导电薄膜等有机导电薄膜；

该导电薄膜黏附在衬底上；

衬底可以是玻璃、石英、PET、塑料板等绝缘衬底，亦可以由金属板、半导体薄片以及其他非绝缘衬底组成，衬底材料可以和薄膜材料相同；