[发明专利]可重构风能能量收集-存储一体式单元与方法

说明书

本发明提供一种可重构风能能量收集‑存储一体式单元及其制备方法、以及进行风能能量收集‑存储的方法，包括：支撑框架、铁电摩擦电耦合功能薄膜、金属电极，铁电摩擦电耦合功能薄膜包括从上到下堆叠在一起的负性摩擦起电层、铁电材料层、正性摩擦起电层，使铁电摩擦电耦合功能薄膜与两个金属电极分离的时候，构成能量收集单元用于收集风能；使两层金属电极与负性摩擦起电层、铁电材料层、正性摩擦起电层构成的三明治结构紧密接触时，整个单元构成了平板电容器，用以存储在正性摩擦起电层、负性摩擦起电层上的摩擦极化电荷。该器件可通过结构上的重构分别实现能量收集和能量存储这两种功能，制备过程简单、结构新颖、成本低廉、实用性高。

技术领域

本发明涉及能量收集技术、微电子机械系统(MEMS)、电子聚合物功能材料领域，具体涉及一种可重构风能能量收集-存储一体式单元与制备方法、风能能量收集-存储的方法。

背景技术

在高度集成化的微电子器件快速发展的今天，相应的能源供应系统的研究却相对滞后。目前，大多数传感器都以外部电源或电池供给能量，需要维护人员定期地维护或更换电池以保证设备与系统的持续运行，而对于布设在危险地带和极端环境中的传感器网络节点而言，这不仅增加了运行成本而且威胁了维护人员的生命安全。另一方面，电池对环境和人体具有潜在危害，很难适应可持续、低成本、绿色环保等要求。因此，通过自供能技术将环境中的能量转化为电能，是解决电子设备供电的一种理想方案。摩擦起电是日常生活中一种十分普遍的现象。它是指通过物体之间物理接触中产生的电荷转移过程，摩擦起电过程也是日常静电的由来，摩擦电荷的形成依赖于接触材料的摩擦电极性的差别。虽然摩擦起电这一普遍现象被人类认识近千年的时间，但是其形成机制仍然没有被完全研究清楚。目前，比较被认同的一种解释是，在两种材料接触的时候，在其接触处部分位置形成了化学键。电荷从一种材料转移到另一种材料以平衡两者的电化学势。结合摩擦起电和静电感应原理人们已经制备了几种不同的自供能传感器。

传统的能量收集技术主要基于静电感应、电磁感应和压电效应。然而，已经发明的静电感应、存在体积大，适用性窄等缺点，电磁感应发电机和压电发电机则普遍存在结构复杂，对材料有特殊要求和成本较高等缺陷。已发明的静电脉冲发电机在小型化、轻量化及集成化方面有所不足，输出功率密度较小，不能满足对人体运动等生物机械能收集的需要。此外，当前的能量收集器件仅仅用于能量收集和转化，还不能同时实现一体化能量收集-存储双重功能。因此，很有必要设计开发一种能够同时实现风能能量收集-存储的结构单元。

发明内容

本发明给出了一种可重构风能能量收集-存储一体式单元设计与制备方法，该能量收集单元制备工艺步骤简单，加工成本低，体积小，重量轻，柔韧性好，可大批量生产。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种可重构风能能量收集-存储一体式单元，包括：支撑框架3，支撑框架3内部设有铁电摩擦电耦合功能薄膜2和金属电极1，铁电摩擦电耦合功能薄膜2的固定端21在支撑框架3内部一侧与可重构支撑结构4固定连接，铁电摩擦电耦合功能薄膜2的活动端22与支撑框架3不连接，可重构支撑结构4与支撑框架3可拆卸式连接，可重构支撑结构4在支撑框架3内部的位置可调节，金属电极1位于铁电摩擦电耦合功能薄膜2上下两侧，金属电极1用于摩擦起电和导电输出，上下两个金属电极1均接地，支撑框架3顶部设有铁块5；该铁块用于增加器件在气流冲击下的稳定性。

所述铁电摩擦电耦合功能薄膜2包括从上到下堆叠在一起的负性摩擦起电层6、铁电材料层7、正性摩擦起电层8，负性摩擦起电层6、铁电材料层7、正性摩擦起电层8构成介电层-铁电层-介电层的三明治结构，负性摩擦起电层6材料的得电子能力强于正性摩擦起电层8材料的得电子能力，负性摩擦起电层6和正性摩擦起电层8都为柔性材料薄膜；