自充電超級電容器的製造方法

2023-11-11 05:11:47

自充電超級電容器的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種自充電超級電容器。該自充電超級電容器包括：將機械能轉換為電能的至少一個納米摩擦發電機，每個納米摩擦發電機具有用於輸出電信號的兩個輸出電極；與所述至少一個納米摩擦發電機的輸出電極相連的、將所述納米摩擦發電機輸出的電信號進行調節轉換的充電電路模塊；以及與所述充電電路模塊相連的、接收所述充電電路模塊輸出的電信號並進行儲存的超級電容器。在本實用新型提供的自充電超級電容器中，納米摩擦發電機充當了充電電源的角色，其通過將機械能轉換為電能，再由充電電路模塊將電能信號進行調節轉換後輸出給超級電容器進行儲存，從而實現了超級電容器的自充電。
【專利說明】自充電超級電容器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及納米【技術領域】，更具體地說，涉及一種自充電超級電容器。
【背景技術】
[0002]超級電容器也稱為電化學電容器，是介於傳統電容器與電池之間的一種電化學儲能裝置。與傳統電容器相比，超級電容器擁有更高的靜電容量；與電池相比，超級電容器具有更高的功率密度和超長循環壽命。超級電容器結合了二者的優點，是一種應用前景廣闊的儲能器件。
[0003]現有的超級電容器主要由電極、電解質和隔膜組成。其中電極包括電極活性材料和集電極兩部分。集電極的作用是降低電極的內阻，要求它與電極接觸面積大，接觸電阻小，而且耐腐蝕性強，在電解質中性能穩定，不發生化學反應等。
[0004]雖然超級電容器性能優越，但是其充電電源的來源單一，不能實現自充電，故其使用產生了一定的局限性。現有技術中也存在一些超級電容器，它們可以被製備成柔性結構，但是製備工藝複雜，不易被大規模加工生產。超級電容器作為未來一種理想的儲能元件，其結構也需要獨特的設計。因此，為了更好的使用與應用超級電容器，亟需解決上述問題。
實用新型內容
[0005]本實用新型的發明目的是針對現有技術的缺陷，提出一種自充電超級電容器，不藉助外部電源，實現超級電容器的自充電。
[0006]本實用新型提供了一種自充電超級電容器，包括:
[0007]將機械能轉換為電能的至少一個納米摩擦發電機，每個納米摩擦發電機具有用於輸出電信號的兩個輸出電極；
[0008]與所述至少一個納米摩擦發電機的輸出電極相連的、將所述納米摩擦發電機輸出的電信號進行調節轉換的充電電路模塊；以及
[0009]與所述充電電路模塊相連的、接收所述充電電路模塊輸出的電信號並進行儲存的超級電容器。
[0010]可選地，所述超級電容器包括:
[0011 ]基底；
[0012]位於基底上的隔膜、超級電容器第一電極、超級電容器第二電極以及第一集流體、第二集流體，所述隔膜設置在所述超級電容器第一電極和超級電容器第二電極之間，所述第一集流體與超級電容器第一電極連接，所述第二集流體與超級電容器第二電極連接，所述充電電路模塊與所述第一集流體、第二集流體連接；
[0013]分別位於所述第一集流體和第二集流體上的兩個墊層片；
[0014]由所述兩個墊層片、所述隔膜、所述超級電容器第一電極和超級電容器第二電極形成的空腔，所述空腔內填充有電解液；
[0015]將所述電解液進行封裝的封裝層。[0016]可選地，所述至少一個納米摩擦發電機設置在所述超級電容器的一側，所述至少一個納米摩擦發電機與所述超級電容器共用所述基底。
[0017]可選地，所述至少一個納米摩擦發電機分設在所述超級電容器的兩側，設置在所述超級電容器下側的至少一個納米摩擦發電機與所述超級電容器共用所述基底，設置在所述超級電容器上側的至少一個納米摩擦發電機與所述超級電容器之間還設置有絕緣層。
[0018]可選地，所述超級電容器包括:依次平行層疊設置的第一集流體、超級電容器第一電極、隔膜、超級電容器第二電極和第二集流體以及封裝層；所述充電電路模塊與所述第一集流體、第二集流體連接。
[0019]可選地，所述至少一個納米摩擦發電機設置在所述超級電容器的一側，所述至少一個納米摩擦發電機與所述超級電容器之間還設置有絕緣層。
[0020]可選地，所述至少一個納米摩擦發電機分設在所述超級電容器的兩側，設置在所述超級電容器下側的至少一個納米摩擦發電機與所述超級電容器之間還設置有第一絕緣層，設置在所述超級電容器上側的至少一個納米摩擦發電機與所述超級電容器之間還設置
有第二絕緣層。
[0021]可選地，所述納米摩擦發電機有多個，且陣列排列在同一層或不同層，形成並聯結構。
[0022]可選地，設置在所述超級電容器下側的納米摩擦發電機有多個，且陣列排列在同一層或不同層，形成並聯結構；和/或，設置在所述超級電容器上側的納米摩擦發電機有多個，且陣列排列在同一層或不同層，形成並聯結構。
[0023]可選地，所述超級電容器為全固態超級電容器，選自全固態對稱型石墨烯超級電容器、全固態對稱型活性炭超級電容器、全固態活性炭與金屬氧化物非對稱型超級電容器、全固態活性炭與導電聚合物非對稱型超級電容器、全固態活性炭與鋰離子電池混合非對稱型超級電容器中的一種。
[0024]可選地，所述基底的材質選自聚對苯二甲酸乙二醇酯、矽和二氧化矽中的一種。
[0025]可選地，所述兩個墊層片的材質選自丁鈉橡膠、丁苯橡膠、丁腈橡膠、丁基橡膠、矽橡膠、聚氨酯橡膠、異戊橡膠、順丁橡膠、氟橡膠和丙烯酸酯橡膠中的一種。
[0026]可選地，所述隔膜的材質為氧化石墨。
[0027]可選地，所述封裝層的材質為鋁塑膜、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛、聚碳酸酯和聚醯胺膜中的一種。
[0028]可選地，所述第一集流體和第二集流體的材質選自銅、銀、鋁和鎳中的一種；所述超級電容器第一電極和超級電容器第二電極的材質選自石墨烯、活性炭、炭氣凝膠、碳纖維、金屬氧化物、導電聚合物和鋰離子電池電極材料中的一種。
[0029]可選地，所述超級電容器第一電極和超級電容器第二電極為:平行結構、交指結構、U形結構、螺旋形結構或樹枝狀結構。
[0030]可選地，所述充電電路模塊包括:
[0031]與至少一個納米摩擦發電機的輸出電極相連的、將所述至少一個納米摩擦發電機輸出的電信號進行整流處理的整流電路模塊；以及
[0032]與所述整流電路模塊相連的、將所述整流電路模塊輸出的單向脈衝直流電進行濾波處理而得到直流電信號的濾波電路模塊，所述濾波電路模塊將所述直流電信號輸出給所述超級電容器。
[0033]可選地，所述充電電路模塊還包括:充電控制模塊和開關/變壓模塊；
[0034]所述充電控制模塊與濾波電路模塊連接，接收所述濾波電路模塊輸出的直流電信號；所述充電控制模塊與所述超級電容器連接，接收所述超級電容器反饋的充電電壓；所述充電控制模塊與所述開關/變壓模塊連接，所述充電控制模塊根據所述直流電信號和所述充電電壓得到控制信號，向所述開關/變壓模塊輸出所述控制信號；
[0035]所述開關/變壓模塊與所述濾波電路模塊連接，接收濾波電路模塊輸出的直流電信號；所述開關/變壓模塊與所述超級電容器連接，所述開關/變壓模塊根據接收的控制信號進行開關切換和對所述濾波電路模塊輸出的直流電信號進行變壓處理後輸出給所述超級電容器。
[0036]可選地，所述充電電路模塊還包括:發電機控制模塊；所述發電機控制模塊與所述超級電容器連接，接收所述超級電容器反饋的充電電壓；所述發電機控制模塊與所述納米摩擦發電機連接，所述發電機控制模塊根據所述充電電壓向所述納米摩擦發電機輸出停止發電的信號。
[0037]可選地，所述納米摩擦發電機包括:依次層疊設置的第一電極，第一高分子聚合物絕緣層，以及第二電極；其中，所述第一電極設置在所述第一高分子聚合物絕緣層的第一側表面上；且所述第一高分子聚合物絕緣層的第二側表面朝向所述第二電極設置，所述第一電極和第二電極構成所述納米摩擦發電機的輸出電極。
[0038]可選地，所述第一高分子聚合物絕緣層朝向第二電極的面上設有微納結構。
[0039]可選地，所述納米摩擦發電機進一步包括:設置在所述第二電極和所述第一高分子聚合物絕緣層之間的第二高分子聚合物絕緣層，所述第二電極設置在所述第二高分子聚合物絕緣層的第一側表面上；且所述第二高分子聚合物絕緣層的第二側表面與所述第一高分子聚合物絕緣層的第二側表面相對設置。
[0040]可選地，所述第一高分子聚合物絕緣層和第二高分子聚合物絕緣層相對設置的兩個面中的至少一個面上設有微納結構。
[0041]可選地，所述納米摩擦發電機進一步包括:設置在所述第一高分子聚合物絕緣層和所述第二高分子聚合物絕緣層之間的居間薄膜層，其中，所述居間薄膜層為聚合物薄膜層，且所述第一高分子聚合物絕緣層相對所述居間薄膜層的面和居間薄膜層相對於第一高分子聚合物絕緣層的面中的至少一個面上和/或所述第二高分子聚合物絕緣層相對所述居間薄膜層的面和居間薄膜層相對第二高分子聚合物絕緣層的面中的至少一個面上設有微納結構。
[0042]可選地，所述納米摩擦發電機包括:依次層疊設置的第一電極，第一高分子聚合物絕緣層，居間電極層，第二高分子聚合物絕緣層以及第二電極；其中，所述第一電極設置在所述第一高分子聚合物絕緣層的第一側表面上；所述第二電極設置在所述第二高分子聚合物絕緣層的第一側表面上，所述居間電極層設置在所述第一高分子聚合物絕緣層的第二側表面與所述第二高分子聚合物絕緣層的第二側表面之間，且所述第一高分子聚合物絕緣層相對所述居間電極層的面和居間電極層相對於第一高分子聚合物絕緣層的面中的至少一個面上和/或所述第二高分子聚合物絕緣層相對所述居間電極層的面和居間電極層相對第二高分子聚合物絕緣層的面中的至少一個面上設有微納結構，所述第一電極和第二電極相連後與所述居間電極層構成所述納米摩擦發電機的輸出電極。
[0043]在本實用新型提供的自充電超級電容器中，納米摩擦發電機充當了充電電源的角色，其通過將機械能轉換為電能，再由充電電路模塊將電能信號進行調節轉換後輸出給超級電容器進行儲存，從而實現了超級電容器的自充電。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0044]圖1為本實用新型提供的自充電超級電容器的原理結構框圖；
[0045]圖2為本實用新型提供的自充電超級電容器的實施例一的立體結構示意圖；
[0046]圖3為本實用新型提供的自充電超級電容器的實施例一的截面示意圖；
[0047]圖4a_圖4h為超級電容器第一電極和超級電容器第二電極之間的結構的俯視示意圖；
[0048]圖5為本實用新型提供的自充電超級電容器的實施例一的一種電路原理示意圖；
[0049]圖6為本實用新型提供的自充電超級電容器的實施例一的另一種電路原理示意圖；
[0050]圖7示出了同層並列設置多個納米摩擦發電機的示意圖；
[0051]圖8為本實用新型提供的自充電超級電容器的實施例二的立體結構示意圖；
[0052]圖9為本實用新型提供的自充電超級電容器的實施例二的截面示意圖；
[0053]圖10為本實用新型提供的自充電超級電容器的實施例三的立體結構示意圖；
[0054]圖11為本實用新型提供的自充電超級電容器的實施例三的截面示意圖；
[0055]圖12為本實用新型提供的自充電超級電容器的實施例四的立體結構示意圖；
[0056]圖13為本實用新型提供的自充電超級電容器的實施例四的截面示意圖；
[0057]圖14a和圖14b分別示出了納米摩擦發電機的第一種結構的立體結構示意圖和剖面結構示意圖；
[0058]圖15a和圖15b分別示出了納米摩擦發電機的第二種結構的立體結構示意圖和剖面結構示意圖；
[0059]圖16a和圖16b分別示出了納米摩擦發電機的第三種結構的立體結構示意圖和剖面結構示意圖；
[0060]圖17a和圖17b分別示出了納米摩擦發電機的第四種結構的立體結構示意圖和剖面結構示意圖。
【具體實施方式】
[0061]為充分了解本實用新型之目的、特徵及功效，藉由下述具體的實施方式，對本實用新型做詳細說明，但本實用新型並不僅僅限於此。
[0062]圖1為本實用新型提供的自充電超級電容器的原理結構框圖。如圖1所示，該自充電超級電容器包括納米摩擦發電機11、充電電路模塊12和超級電容器13。圖1僅為一示意圖，在實際中，自充電超級電容器可以包括一個或多個納米摩擦發電機，每個納米摩擦發電機具有用於輸出電信號的兩個輸出電極。納米摩擦發電機11的輸出電極與充電電路模塊12連接，充電電路模塊12與超級電容器13連接。該自充電超級電容器的基本工作原理是:在外力的作用下，納米摩擦發電機11發生機械形變，將機械能轉換為電能；之後，納米摩擦發電機11的輸出電極將電信號輸出給充電電路模塊12 ;充電電路模塊12將該電信號進行調節轉換後輸出給超級電容器13，超級電容器13接收該調節轉換後的電信號並進行儲存，以備外部用電設備使用。
[0063]在本實施例提供的自充電超級電容器中，納米摩擦發電機充當了充電電源的角色，其通過將機械能轉換為電能，再由充電電路模塊將電能信號進行調節轉換後輸出給超級電容器進行儲存，從而實現了超級電容器的自充電。
[0064]圖2為本實用新型提供的自充電超級電容器的實施例一的立體結構示意圖。如圖2所示，該自充電超級電容器包括:超級電容器21和設置在超級電容器21的一側的一個納米摩擦發電機22。其中，納米摩擦發電機22置於底層，超級電容器21設置在納米摩擦發電機22的上表面，納米摩擦發電機22與超級電容器21形成一個整體。圖2中未示出充電電路模塊。納米摩擦發電機22的兩個輸出電極與充電電路模塊連接，充電電路模塊再與超級電容器21連接，從而實現電能的儲存。
[0065]本實施例中，超級電容器21為全固態超級電容器，選自全固態對稱型石墨烯超級電容器、全固態對稱型活性炭超級電容器、全固態活性炭與金屬氧化物非對稱型超級電容器、全固態活性炭與導電聚合物非對稱型超級電容器、全固態活性炭與鋰離子電池混合非對稱型超級電容器中的一種。優選地，超級電容器21選自全固態對稱型石墨烯超級電容器。
[0066]圖3為本實用新型提供的自充電超級電容器的實施例一的截面示意圖。結合圖3，以全固態對稱型石墨烯超級電容器為例說明超級電容器的結構。如圖3所示，超級電容器包括:基底31，位於基底31上的隔膜32、超級電容器第一電極33、超級電容器第二電極34和第一集流體35、第二集流體36，兩個墊層片37，填充有電解液的空腔38，將電解液進行封裝的封裝層39。其中隔膜32為氧化石墨，超級電容器第一電極33和超級電容器第二電極34為石墨烯，第一集流體35和第二集流體36為金屬帶。隔膜32設置在超級電容器第一電極33和超級電容器第二電極34之間，圖3中超級電容器第一電極33和超級電容器第二電極34位於隔膜32兩側；第一集流體35通過導電膠與超級電容器第一電極33連接，第二集流體36通過導電膠與超級電容器第二電極34連接，圖3中第一集流體35位於超級電容器第一電極33的外側，第二集流體36位於超級電容器第二電極34的外側。在兩個集流體上設置有兩個墊層片37，由這兩個墊層片37、隔膜32、超級電容器第一電極33和超級電容器第二電極34形成有空腔38，用於填充電解液。封裝層39將電解液進行封裝，從而形成很薄的超級電容器。
[0067]在圖3中的納米摩擦發電機為層狀結構，包括:摩擦電極30A、高分子聚合物絕緣層30B和電極30C。其中納米摩擦發電機與超級電容器共用基底31。該納米摩擦發電機的結構將在後面詳細說明。
[0068]本實施例中，基底31的材質選自聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、矽(Si)和二氧化娃(SiO2)中的一種。
[0069]第一集流體35和第二集流體36的材質選自銅、銀、鋁和鎳中的一種，具體地，在PVA體系作為電解液時可為銅或銀等，在離子液體系作為電解液時可為招或鎳等。
[0070]超級電容器第一電極33和超級電容器第二電極34的材質選自石墨烯、活性炭、炭氣凝膠、碳纖維、金屬氧化物、導電聚合物和鋰離子電池電極材料中的一種。[0071]隔膜32的材質可以選自氧化石墨；PVA-H2S04(聚乙烯醇-硫酸)體系；PVA-H3PO4 (聚乙烯醇-磷酸)體系；1-丁基，3-甲基咪唑雙三氟甲基磺醯磺醯亞胺-煙霧矽膠體系；PAN-[EMIm]BF4-TMS (聚苯胺-1-乙基，3-甲基咪唑四氟硼酸鹽-三甲基矽醇)體系；1-丁基，3-甲基咪唑四氟硼酸鹽-矽膠體系；PMMA-EC-PC-LiC104 (聚甲基丙烯酸甲酯-碳酸乙烯酯-碳酸丙烯酯-高氯酸鋰)體系；PMMA-EC-PC-NaC104(聚甲基丙烯酸甲酯-碳酸乙烯酯-碳酸丙烯酯-高氯酸納)體系；PE0-PEG-LiCF3S03 (聚氧化乙烯-聚乙二醇-三氟甲基磺酸鋰)體系；pmma-ec-pc-teacio4(聚甲基丙烯酸甲酯-碳酸乙烯酯-碳酸丙烯酯-高氯酸四乙基銨)體系中的一種。
[0072]兩個墊層片37的材質選自丁鈉橡膠、丁苯橡膠、丁腈橡膠、丁基橡膠、矽橡膠、聚氨酯橡膠、異戊橡膠、順丁橡膠、氟橡膠和丙烯酸酯橡膠中的一種。
[0073]電解液為固態或膠態，電解液的體系為PVA-H2SO4(聚乙烯醇-硫酸)體系；PVA-H3PO4 (聚乙烯醇-磷酸)體系；1-丁基，3-甲基咪唑雙三氟甲基磺醯磺醯亞胺-煙霧矽膠體系；PAN-[EMIm]BF4-TMS (聚苯胺-1-乙基，3-甲基咪唑四氟硼酸鹽-三甲基矽醇)體系；1-丁基，3-甲基咪唑四氟硼酸鹽-矽膠體系；PMMA-EC-PC-LiC104 (聚甲基丙烯酸甲酯-碳酸乙烯酯-碳酸丙烯酯-高氯酸鋰)體系；PMMA-EC-PC-NaC104(聚甲基丙烯酸甲酯-碳酸乙烯酯-碳酸丙烯酯-高氯酸納)體系；PE0-PEG-LiCF3S03 (聚氧化乙烯-聚乙二醇-三氟甲基磺酸鋰)體系；pmma-ec-pc-teacio4(聚甲基丙烯酸甲酯-碳酸乙烯酯-碳酸丙烯酯-高氯酸四乙基銨)體系中的一種。
[0074]封裝層39的材質為鋁塑膜、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)和聚醯胺(PA)中的一種。
[0075]本實施例中，超級電容器第一電極和超級電容器第二電極之間的結構可以有多種，圖4a-圖4h為超級電容器第一電極和超級電容器第二電極之間的結構的俯視示意圖。圖4a示出的是平行結構，超級電容器第一電極41A和超級電容器第二電極41B為平行的，兩者之間設有隔膜41C。圖4b示出的是多列平行結構，其中電極42A有多列且互相平行。圖4c示出的是交指結構，超級電容器第一電極43A和超級電容器第二電極43B之間設有隔膜43C，圖3所示的就是這樣的交指結構。圖4d示出的是蛇形結構，超級電容器第一電極44A和超級電容器第二電極44B之間均為隔膜。圖4e示出的是螺旋形結構，超級電容器第一電極45A和超級電容器第二電極45B之間均為隔膜。圖4f示出的是樹枝狀結構，超級電容器第一電極46A和超級電容器第二電極46B之間均為隔膜。圖4g示出的是螺旋樹枝狀結構，超級電容器第一電極47A和超級電容器第二電極47B之間均為隔膜。圖4h示出的是指紋結構，超級電容器第一電極48A和超級電容器第二電極48B之間均為隔膜。
[0076]上述全固態對稱型石墨烯超級電容器優選採用雷射法製備，其步驟包括:
[0077](I)將基底(如PET)粘到光碟上；
[0078](2)將氧化石墨水溶液(1-lOmg / ml,氧化石墨的製作方法為改善的Hummers法)滴塗到PET基底上，烘乾水分留下金棕色氧化石墨；
[0079](3)將上述光碟放入dvd刻錄機上，進行結構製作，生成黑色石墨烯結構；
[0080](4)在石墨烯結構兩側用導電銀膠粘貼銅帶集流體；
[0081](5)在步驟(4)的基礎上放置密封用的回字形墊層片；[0082](6)在回字形墊層片內滴入膠狀電解液並蒸發水分；
[0083](7)整體封裝得到柔性固態電解質超級電容器。
[0084]由於作用於納米摩擦發電機的外力大小的不確定性，使得納米摩擦發電機產生的交流電大小也不確定，比如:單個納米摩擦發電機在外力拍打下，可以輸出幾伏至上千伏的電壓，這種特殊性就要求外部電路的合理設計使其達到穩定輸出。本實用新型通過充電電路模塊對納米摩擦發電機輸出的電信號進行調節轉換以實現穩定輸出。
[0085]圖5為本實用新型提供的自充電超級電容器的實施例一的一種電路原理示意圖。圖5示出了充電電路模塊的內部結構以及其與納米摩擦發電機和超級電容器的連接關係。如圖5所示，充電電路模塊包括:整流電路模塊51和濾波電路模塊52。其中，整流電路模塊51與至少一個納米摩擦發電機的輸出電極相連，將至少一個納米摩擦發電機輸出的電信號進行整流處理。具體地，整流電路模塊51的兩個輸入端51A和51B分別連接納米摩擦發電機53的兩個輸出電極，接收納米摩擦發電機53輸出的電信號。對於包括多個納米摩擦發電機的結構，多個納米摩擦發電機的兩個輸出電極並聯在一起，然後與整流電路模塊51的兩個輸入端5IA和5IB連接。
[0086]整流電路模塊51的兩個輸出端51C和51D與濾波電路模塊52連接，整流電路模塊51將納米摩擦發電機53輸出的電信號進行整流處理後得到的單向脈衝直流電輸出給濾波電路模塊52。濾波電路模塊52與超級電容器54連接，濾波電路模塊52將整流電路模塊51輸出的單向脈衝直流電進行濾波處理而得到直流電信號輸出給超級電容器54。
[0087]如圖5所示，濾波電路模塊52具有兩個端。具體地，濾波電路模塊52的第一端52A與整流電路模塊51的輸出端51D連接，濾波電路模塊52的第二端52B與整流電路模塊51的輸出端51C連接。濾波電路模塊52的第一端52A與超級電容器的第一集流體連接，濾波電路模塊52的第二端52B與超級電容器的第二集流體連接。在實際應用中，濾波電路模塊52的第二端52B —般接地。
[0088]對於圖5所示的電路，當外力作用於納米摩擦發電機時，會使納米摩擦發電機發生機械形變，從而產生交流的脈衝電信號。此交流的脈衝電信號首先輸入給整流電路模塊，通過整流電路模塊對其進行整流，得到單向脈動的直流電。此單向脈動的直流電又輸入給濾波電路模塊進行濾波，將單向脈動的直流電中的幹擾雜波進行濾除，得到直流電信號。最後，此直流電信號直接輸入給超級電容器進行充電。這裡可以為一個超級電容器充電，也可以為多個並聯的超級電容器同時充電。
[0089]上述電路的優點是:(I)根據納米摩擦發電機產生電能的大小與超級電容器電容和充電電壓的大小，通過調節濾波電路模塊的相關參數，使得能夠最大限度的利用納米摩擦發電機所產生的電能，提高能量轉換效率；(2)根據應用環境的不同，納米摩擦發電機產生的電壓幅度範圍較大，可以通過調節濾波電路模塊的相關參數，將其調整為適應給超級電容器充電的電壓，克服納米摩擦發電機產生電壓大小的不確定性。
[0090]進一步的，充電電路模塊還可以採用一種更為優選的結構。圖6為本實用新型提供的自充電超級電容器的實施例一的另一種電路原理示意圖。圖6示出了優選的充電電路模塊的內部結構以及其與納米摩擦發電機和超級電容器的連接關係。如圖6所示，充電電路模塊除了包括整流電路模塊61和濾波電路模塊62之外，還包括充電控制模塊63和開關/變壓模塊64。其中整流電路模塊61和濾波電路模塊62的功能參見上文，不再贅述。[0091]充電控制模塊63與濾波電路模塊62連接，接收濾波電路模塊62輸出的直流電壓信號Ul ;充電控制模塊63與超級電容器65連接，接收超級電容器65反饋的充電電壓U,該充電電壓U是在超級電容器65的兩個集流體之間形成的電壓信號；充電控制模塊63還與開關/變壓模塊64連接，充電控制模塊63根據直流電壓信號Ul和充電電壓U得到控制信號，向開關/變壓模塊64輸出控制信號。開關/變壓模塊64與濾波電路模塊62連接，接收濾波電路模塊62輸出的直流電壓信號Ul ;開關/變壓模塊64還與超級電容器65連接，開關/變壓模塊64根據接收的控制信號進行開關切換和對濾波電路模塊62輸出的直流電壓信號進行調節處理，調節為適應給超級電容器65充電的電壓U2。
[0092]對於圖6所示的電路，與圖5不同的是，經過濾波處理得到的直流電壓信號Ul輸入給充電控制模塊63，充電控制模塊63會根據此直流電壓信號Ul的大小，來決定何時對超級電容器65充電；並且對超級電容器65充電狀況進行密切監視，根據超級電容器65充電的狀況來控制開關/變壓模塊64。經過濾波電路模塊62的輸出電壓是一個逐步增大的輸出電壓，這個輸出電壓直到增到限壓電壓，這個限壓電壓是一個電路保護電壓，防止電路因電壓過高而損壞。
[0093]由於整個充電電路模塊是沒有外接電源的，充電控制模塊63控制開關/變壓模塊64給超級電容器65充電的工作電源也是來自於納米摩擦發電機發的電，因此特意在充電控制模塊63設置一個啟動電壓，當濾波電路模塊62輸出電壓達到該啟動電壓以後，充電控制模塊63才驅動開關/變壓模塊64啟動充電。
[0094]充電控制模塊63的另一個作用是根據經過濾波得到的直流電壓信號Ul的大小和超級電容器65充電電壓U的大小，對直流電壓信號Ul進行調節，調節為適應超級電容器65充電的電壓U2，並選擇性驅動開關/變壓模塊64給超級電容器65充電。
[0095]根據C=Q / U可知，超級電容器的容量C為一個固定值，在給超級電容器充電的過程中，電荷量Q在不斷增加，隨之超級電容器的電壓U也在不斷上升。為了更有效的給超級電容器充電，充電控制模塊63根據超級電容器65反饋的充電電壓U以及濾波電路模塊62輸出的直流電壓信號Ul的數值信息，來調節開關/變壓模塊64中的電路，實現對電壓Ul到U2的轉換，得到超級電容器65的實時充電電壓U2。U2和U之間有一個相應的充電匹配關係，以保證最高的能量轉換效率。舉例來說，假設超級電容器65的充滿電壓為U0，充電控制模塊63將超級電容器65反饋的充電電壓U與UO進行比較，若U小於U0，表明超級電容器65還未充滿，需要繼續充電；若U等於U0，表明超級電容器65已充滿。同時，充電控制模塊63還將濾波電路模塊62輸出的直流電壓信號Ul與UO比較，若Ul大於U0，則充電控制模塊63輸出控制信號控制開關/變壓模塊64對Ul進行降壓處理，得到超級電容器65的實時充電電壓U2 ;若Ul小於UO，則充電控制模塊63輸出控制信號控制開關/變壓模塊64對Ul進行升壓處理，得到超級電容器65的實時充電電壓U2。
[0096]這裡可以為一個超級電容器充電，也可以為多個超級電容器充電，如圖6，示出了三個超級電容器，這三個超級電容器並聯在一起。當為多個超級電容器充電時，可以逐個充滿，也可以同時充滿。逐個充滿是通過以下方式實現的:充電控制模塊63將當前正在充電的超級電容器反饋的充電電壓U與其充滿電壓UO進行比較，如果U已經達到U0，那麼充電控制模塊63輸出控制信號控制開關/變壓模塊64將開關切換到下一個超級電容器，繼續為下一個超級電容器進行充電。[0097]進一步的，為了保護納米摩擦發電機，充電電路模塊還可以包括發電機控制模塊66。該發電機控制模塊66與超級電容器65連接，接收超級電容器65反饋的充電電壓U，該充電電壓U是在超級電容器65的兩個集流體之間形成的電壓信號；發電機控制模塊66還與納米摩擦發電機連接，向納米摩擦發電機輸出停止發電的信號。當超級電容器65充滿時，會得到一充滿電壓，該充滿電壓反饋給發電機控制模塊66,進而發電機控制模塊66會將納米摩擦發電機關閉，從而停止發電。
[0098]圖6所示的電路的優點是:(1)由於作用於納米摩擦發電機的外力大小的不確定，使得納米摩擦發電機產生的交流電大小也不確定，此電路能將不確定的電壓值轉換成適合超級電容器充電的電壓值，適應性強，擴展了自充電超級電容器的應用領域；⑵由於電路中特別設計了充電控制模塊，根據超級電容器的實時電壓來調節其充電電壓，使超級電容器的實時電壓與充電電壓保持了一個動態匹配關係，達到了使納米摩擦發電機發出的電能最大限度的充給了超級電容器，實現了最大的儲能效果；(3)根據超級電容器的充滿，發電機控制模塊控制納米摩擦發電機工作與否，進而延長納米摩擦發電機的使用壽命；(4)當為多個超級電容器進行充電時，其中一個充滿時，會自動切換到下一個超級電容器進行充電。
[0099]本實施例提供的自充電超級電容器不僅限於包括單個納米摩擦發電機，在超級電容器的一側還可以設置多個納米摩擦發電機。具體來說，設置在超級電容器一側的納米摩擦發電機有多個，這些納米摩擦發電機陣列排列在同一層或不同層，它們對應的輸出電極連接在一起形成並聯結構。其排列可參照圖7。與單個納米摩擦發電機產生的電壓較大、電流較小的特點相比，平行並聯的多個納米摩擦發電機可以增加電流的輸出，達到更好的充電效果；而且由於多個納米摩擦發電機均勻排列，可使其受力均勻，具有良好的線性疊加效果O
[0100]圖8為本實用新型提供的自充電超級電容器的實施例二的立體結構示意圖。如圖8所示，該自充電超級電容器包括:超級電容器81和分設在超級電容器81兩側的納米摩擦發電機82和83，類似一個「三明治」結構。其中，納米摩擦發電機82設置在超級電容器81的下側，納米摩擦發電機83設置在超級電容器81的上側。超級電容器81與上下兩側的納米摩擦發電機82和83形成一個整體。圖8中未示出充電電路模塊。納米摩擦發電機82和83各自的兩個輸出電極並聯在一起與充電電路模塊連接，充電電路模塊再與超級電容器81的兩個集流體連接，從而實現電能的儲存。
[0101]本實施例中，超級電容器81為全固態超級電容器，選自全固態對稱型石墨烯超級電容器、全固態對稱型活性炭超級電容器、全固態活性炭與金屬氧化物非對稱型超級電容器、全固態活性炭與導電聚合物非對稱型超級電容器、全固態活性炭與鋰離子電池混合非對稱型超級電容器中的一種。優選地，超級電容器81選自全固態對稱型石墨烯超級電容器。
[0102]圖9為本實用新型提供的自充電超級電容器的實施例二的截面示意圖。如圖9所示，超級電容器81的結構與實施例一所描述的相同，其所包含的器件可選用的材質也與實施例一所描述的相同，在此不再贅述。納米摩擦發電機82和83均為層狀結構，將在後面詳細說明。納米摩擦發電機82與超級電容器81共用基底，納米摩擦發電機83與超級電容器81之間還設置有絕緣層90。此處需要說明的是，當納米摩擦發電機與超級電容器共用基底時，不用加絕緣層，當納米摩擦發電機與超級電容器沒有共用基底時，需要加絕緣層，防止導通。
[0103]本實施例中充電電路模塊也與實施例一中所描述的相同，在此不再贅述。
[0104]本實施例提供的自充電超級電容器不僅限於包括上下兩個納米摩擦發電機，在超級電容器的上側和/或下側可以設置多個納米摩擦發電機，具體來說，具體來說，設置在超級電容器下側的納米摩擦發電機可以有多個，且陣列排列在同一層或不同層，形成並聯結構；和/或，設置在超級電容器上側的納米摩擦發電機可以有多個，且陣列排列在同一層或不同層，形成並聯結構。其排列可參照圖7。平行並聯的多個納米摩擦發電機可以增加電流的輸出，達到更好的充電效果；而且由於多個納米摩擦發電機均勻排列，可使其受力均勻，具有良好的線性疊加效果。
[0105]圖10為本實用新型提供的自充電超級電容器的實施例三的立體結構示意圖。如圖10所示，該自充電超級電容器包括:超級電容器101和設置在超級電容器101 —側的一個納米摩擦發電機102，納米摩擦發電機102和超級電容器101之間還設有絕緣層103。其中，納米摩擦發電機102置於底層，絕緣層103位於納米摩擦發電機102的上表面，超級電容器101位於絕緣層103的上表面。超級電容器101、絕緣層103和納米摩擦發電機102形成一個整體。圖10中未示出充電電路模塊。納米摩擦發電機102的兩個輸出電極與充電電路模塊連接，充電電路模塊再與超級電容器101的兩個集流體連接，從而實現電能的儲存。
[0106]本實施例中，超級電容器101為全固態超級電容器，選自全固對稱型態石墨烯超級電容器、全固態對稱型活性炭超級電容器、全固態活性炭與金屬氧化物非對稱型超級電容器、全固態活性炭與導電聚合物非對稱型超級電容器、全固態活性炭與鋰離子電池混合非對稱型超級電容器中的一種。優選地，超級電容器101選自全固態對稱型石墨烯超級電容器。
[0107]圖11為本實用新型提供的自充電超級電容器的實施例三的截面示意圖。如圖11所示，超級電容器包括:依次平行層疊設置的第一集流體111、超級電容器第一電極112、隔膜113、超級電容器第二電極114和第二集流體115，另外超級電容器還包括封裝層(圖11中未示出)。絕緣層103與第一集流體111接觸連接。圖11中的納米摩擦發電機102為層狀結構，其具體結構將在後面詳細說明。
[0108]本實施例中，第一集流體111和第二集流體115的材質選自銅、銀、鋁和鎳中的一種。
[0109]超級電容器第一電極112和超級電容器第二電極114的材質選自石墨烯、活性炭、炭氣凝膠、碳纖維、金屬氧化物、導電聚合物和鋰離子電池材料中的一種。
[0110]隔膜113的材質可以選自氧化石墨；pva-h2so4(聚乙烯醇-硫酸)體系；PVA-H3PO4 (聚乙烯醇-磷酸)體系；1_ 丁基，3-甲基咪唑雙三氟甲基磺醯磺醯亞胺-煙霧矽膠體系；PAN-[EMIm]BF4-TMS (聚苯胺-1-乙基，3-甲基咪唑四氟硼酸鹽-三甲基矽醇)體系；1-丁基，3-甲基咪唑四氟硼酸鹽-矽膠體系；PMMA-EC-PC-LiC104 (聚甲基丙烯酸甲酯-碳酸乙烯酯-碳酸丙烯酯-高氯酸鋰)體系；PMMA-EC-PC-NaC104(聚甲基丙烯酸甲酯-碳酸乙烯酯-碳酸丙烯酯-高氯酸納)體系；PE0-PEG-LiCF3S03 (聚氧化乙烯-聚乙二醇-三氟甲基磺酸鋰)體系；pmma-ec-pc-teacio4(聚甲基丙烯酸甲酯-碳酸乙烯酯-碳酸丙烯酯-高氯酸四乙基銨)體系中的一種。[0111]電解液為固態或膠態，電解液的體系為PVA-H2SO4(聚乙烯醇-硫酸)體系；PVA-H3PO4 (聚乙烯醇-磷酸)體系；1-丁基，3-甲基咪唑雙三氟甲基磺醯磺醯亞胺-煙霧矽膠體系；PAN-[EMIm]BF4-TMS (聚苯胺-1-乙基，3-甲基咪唑四氟硼酸鹽-三甲基矽醇)體系；1-丁基，3-甲基咪唑四氟硼酸鹽-矽膠體系；PMMA-EC-PC-LiC104 (聚甲基丙烯酸甲酯-碳酸乙烯酯-碳酸丙烯酯-高氯酸鋰)體系；PMMA-EC-PC-NaC104(聚甲基丙烯酸甲酯-碳酸乙烯酯-碳酸丙烯酯-高氯酸納)體系；PE0-PEG-LiCF3S03 (聚氧化乙烯-聚乙二醇-三氟甲基磺酸鋰)體系；pmma-ec-pc-teacio4(聚甲基丙烯酸甲酯-碳酸乙烯酯-碳酸丙烯酯-高氯酸四乙基銨)體系中的一種。
[0112]封裝層的材質為鋁塑膜、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)和聚醯胺(PA)中的一種。
[0113]本實施例中充電電路模塊也與實施例一中所描述的相同，在此不再贅述。充電電路模塊與上述第一集流體111和第二集流體115連接。
[0114]本實施例提供的自充電超級電容器不僅限於包括單個納米摩擦發電機，在超級電容器的一側還可以設置多個納米摩擦發電機具體來說，設置在超級電容器一側的納米摩擦發電機有多個，這些納米摩擦發電機陣列排列在同一層或不同層，它們對應的輸出電極連接在一起形成並聯結構。其排列可參照圖7。與單個納米摩擦發電機產生的電壓較大、電流較小的特點相比，平行並聯的多個納米摩擦發電機可以增加電流的輸出，達到更好的充電效果；而且由於多個納米摩擦發電機均勻排列，可使其受力均勻，具有良好的線性疊加效果O
[0115]圖12為本實用新型提供的自充電超級電容器的實施例四的立體結構示意圖。如圖12所示，該自充電超級電容器包括:超級電容器121和分設在超級電容器121兩側的納米摩擦發電機122和123。其中，納米摩擦發電機122設置在超級電容器121的下側，納米摩擦發電機122與超級電容器121之間還設有第一絕緣層124 ;納米摩擦發電機123設置在超級電容器121的上側，納米摩擦發電機123與超級電容器121之間還設有第二絕緣層125。超級電容器121與上下兩側的納米摩擦發電機122、123以及第一絕緣層124、第二絕緣層125形成一個整體。圖12中未示出充電電路模塊。納米摩擦發電機122和123各自的兩個輸出電極並聯在一起與充電電路模塊連接，充電電路模塊再與超級電容器121的兩個集流體連接，從而實現電能的儲存。
[0116]本實施例中，超級電容器121為全固態超級電容器，選自全固態對稱型石墨烯超級電容器、全固態對稱型活性炭超級電容器、全固態活性炭與金屬氧化物非對稱型超級電容器、全固態活性炭與導電聚合物非對稱型超級電容器、全固態活性炭與鋰離子電池混合非對稱型超級電容器中的一種。優選地，超級電容器121選自全固態對稱型石墨烯超級電容器。
[0117]圖13為本實用新型提供的自充電超級電容器的實施例四的截面示意圖。如圖13所示，超級電容器121的結構與實施例三所描述的相同，其所包含的器件可選用的材質也與實施例三所描述的相同，在此不再贅述。納米摩擦發電機122和123均為層狀結構，將在後面詳細說明。納米摩擦發電機122與超級電容器121之間設置有第一絕緣層124，納米摩擦發電機123與超級電容器121之間設置有第二絕緣層125。[0118]本實施例中充電電路模塊也與實施例一中所描述的相同，在此不再贅述。
[0119]本實施例提供的自充電超級電容器不僅限於包括上下兩個納米摩擦發電機，在超級電容器的上側和/或下側可以設置多個納米摩擦發電機，具體來說，設置在超級電容器下側的納米摩擦發電機可以有多個，且陣列排列在同一層或不同層，形成並聯結構；和/或，設置在超級電容器上側的納米摩擦發電機可以有多個，且陣列排列在同一層或不同層，形成並聯結構。其排列可參照圖7。平行並聯的多個納米摩擦發電機可以增加電流的輸出，達到更好的充電效果；而且由於多個納米摩擦發電機均勻排列，可使其受力均勻，具有良好的線性疊加效果。
[0120]下面將詳細介紹自充電超級電容器中的納米摩擦發電機的結構和工作原理。
[0121]納米摩擦發電機的第一種結構如圖14a和圖14b所示。圖14a和圖14b分別示出了納米摩擦發電機的第一種結構的立體結構示意圖和剖面結構示意圖。該納米摩擦發電機包括:依次層疊設置的第一電極141，第一高分子聚合物絕緣層142，以及第二電極143。具體地，第一電極141設置在第一高分子聚合物絕緣層142的第一側表面上；且第一高分子聚合物絕緣層142的第二側表面與第二電極143的表面接觸摩擦並在第二電極和第一電極處感應出電荷。因此，上述的第一電極141和第二電極143構成納米摩擦發電機的兩個輸出電極。
[0122]為了提高納米摩擦發電機的發電能力，在第一高分子聚合物絕緣層142的第二側表面(即相對第二電極143的面上)進一步設有微納結構144。因此，當納米摩擦發電機受到擠壓時，第一高分子聚合物絕緣層142與第二電極143的相對表面能夠更好地接觸摩擦，並在第一電極141和第二電極143處感應出較多的電荷。由於上述的第二電極143主要用於與第一高分子聚合物絕緣層142摩擦，因此，第二電極143也可以稱之為摩擦電極。
[0123]上述的微納結構144具體可以採取如下兩種可能的實現方式:第一種方式為，該微納結構是微米級或納米級的非常小的凹凸結構。該凹凸結構能夠增加摩擦阻力，提高發電效率。所述凹凸結構能夠在薄膜製備時直接形成，也能夠用打磨的方法使第一高分子聚合物絕緣層的表面形成不規則的凹凸結構。具體地，該凹凸結構可以是半圓形、條紋狀、立方體型、四稜錐型、或圓柱形等形狀的凹凸結構。第二種方式為，該微納結構是納米級孔狀結構，此時第一高分子聚合物絕緣層所用材料優選為聚偏氟乙烯(PVDF)，其厚度為0.5-1.2mm(優選1.0mm)，且其相對第二電極的面上設有多個納米孔。其中，每個納米孔的尺寸，即寬度和深度，可以根據應用的需要進行選擇，優選的納米孔的尺寸為:寬度為IO-1OOnm以及深度為4_50 μ m。納米孔的數量可以根據需要的輸出電流值和電壓值進行調整，優選的這些納米孔是孔間距為2-30 μ m的均勻分布，更優選的平均孔間距為9 μ m的均勻分布。
[0124]下面具體介紹一下圖14a和圖14b所示的納米摩擦發電機的工作原理。當該納米摩擦發電機的各層向下彎曲時，納米摩擦發電機中的第二電極143與第一高分子聚合物絕緣層142表面相互摩擦產生靜電荷，靜電荷的產生會使第一電極141和第二電極143之間的電容發生改變，從而導致第一電極141和第二電極143之間出現電勢差。由於第一電極141和第二電極143作為納米摩擦發電機的輸出電極與充電電路模塊連接，進而與超級電容器連接，充電電路模塊和超級電容器構成納米摩擦發電機的外電路，納米摩擦發電機的兩個輸出電極之間相當於被外電路連通。當該納米摩擦發電機的各層恢復到原來狀態時，這時形成在第一電極和第二電極之間的內電勢消失，此時已平衡的第一電極和第二電極之間將再次產生反向的電勢差。通過反覆摩擦和恢復，就可以在外電路中形成周期性的交流電信號。該交流電信號經過充電電路模塊處理後轉換為直流電信號，該直流電信號輸出給超級電容器進行儲存，從而實現了超級電容器的自充電。
[0125]根據發明人的研究發現，金屬與高分子聚合物摩擦，金屬更易失去電子，因此採用金屬電極與高分子聚合物摩擦能夠提高能量輸出。因此，相應地，在圖14a和圖14b所示的納米摩擦發電機中，第二電極由於需要作為摩擦電極(即金屬)與第一高分子聚合物進行摩擦，因此其材料可以選自金屬或合金，其中金屬可以是金、銀、鉬、鈀、鋁、鎳、銅、鈦、鉻、硒、鐵、猛、鑰、鶴或鑰;；合金可以是招合金、鈦合金、鎂合金、鈹合金、銅合金、鋅合金、猛合金、鎳合金、鉛合金、錫合金、鎘合金、秘合金、銦合金、鎵合金、鶴合金、鑰合金、銀合金或鉭合金。第一電極由於不需要進行摩擦，因此，除了可以選用上述羅列的第二電極的材料之夕卜，其他能夠製作電極的材料也可以應用，也就是說，第一電極除了可以選自金屬或合金，其中金屬可以是金、銀、鉬、鈀、鋁、鎳、銅、鈦、鉻、硒、鐵、錳、鑰、鎢或釩；合金可以是鋁合金、鈦合金、鎂合金、鈹合金、銅合金、鋅合金、猛合金、鎳合金、鉛合金、錫合金、鎘合金、秘合金、銦合金、鎵合金、鎢合金、鑰合金、鈮合金或鉭合金之外，還可以選自銦錫氧化物、石墨烯、銀納米線膜等非金屬材料。
[0126]納米摩擦發電機的第二種結構如圖15a和圖15b所示。圖15a和圖15b分別示出了納米摩擦發電機的第二種結構的立體結構示意圖和剖面結構示意圖。該納米摩擦發電機包括:依次層疊設置的第一電極151，第一高分子聚合物絕緣層152，第二高分子聚合物絕緣層154以及第二電極153。具體地，第一電極151設置在第一高分子聚合物絕緣層152的第一側表面上；第二電極153設置在第二高分子聚合物絕緣層154的第一側表面上；其中，第一高分子聚合物絕緣層152的第二側表面與第二高分子聚合物絕緣層154的第二側表面接觸摩擦並在第一電極151和第二電極153處感應出電荷。其中，第一電極151和第二電極153構成納米摩擦發電機的兩個輸出電極。
[0127]為了提高納米摩擦發電機的發電能力，第一高分子聚合物絕緣層152和第二高分子聚合物絕緣層154相對設置的兩個面中的至少一個面上設有微納結構。在圖15b中，第一高分子聚合物絕緣層152的面上設有微納結構155。因此，當納米摩擦發電機受到擠壓時，第一高分子聚合物絕緣層152與第二高分子聚合物絕緣層154的相對表面能夠更好地接觸摩擦，並在第一電極151和第二電極153處感應出較多的電荷。上述的微納結構可參照上文的描述，此處不再贅述。
[0128]圖15a和圖15b所示的納米摩擦發電機的工作原理與圖14a和圖14b所示的納米摩擦發電機的工作原理類似。區別僅在於，當圖15a和圖15b所示的納米摩擦發電機的各層彎曲時，是由第一高分子聚合物絕緣層152與第二高分子聚合物絕緣層154的表面相互摩擦來產生靜電荷的。因此，關於圖15a和圖15b所示的納米摩擦發電機的工作原理此處不再贅述。
[0129]圖15a和圖15b所示的納米摩擦發電機主要通過聚合物(第一高分子聚合物絕緣層)與聚合物(第二高分子聚合物絕緣層)之間的摩擦來產生電信號。
[0130]在這種結構中，第一電極和第二電極所用材料可以是銦錫氧化物、石墨烯、銀納米線膜、金屬或合金，其中金屬可以是金、銀、鉬、鈀、鋁、鎳、銅、鈦、鉻、硒、鐵、錳、鑰、鎢或釩；合金可以是招合金、鈦合金、鎂合金、鈹合金、銅合金、鋅合金、猛合金、鎳合金、鉛合金、錫合金、鎘合金、秘合金、銦合金、鎵合金、鶴合金、鑰合金、銀合金或鉭合金。
[0131]上述兩種結構中，第一高分子聚合物絕緣層和第二高分子聚合物絕緣層分別選自聚醯亞胺薄膜、苯胺甲醛樹脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纖維素薄膜、聚醯胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纖維素薄膜、纖維素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纖維(再生)海綿薄膜、聚氨酯彈性體薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纖維薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚異丁烯薄膜、聚氨酯柔性海綿薄膜、聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇縮丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡膠薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡膠薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸鹽薄膜中的一種。其中，原則上第一高分子聚合物絕緣層和第二高分子聚合物絕緣層的材質可以相同，也可以不同。但是，如果兩層高分子聚合物絕緣層的材質都相同，會導致摩擦起電的電荷量很小。因此優選地，第一高分子聚合物絕緣層與第二高分子聚合物絕緣層的材質不同。
[0132]除了上述兩種結構外，納米摩擦發電機還可以採用第三種結構實現，如圖16a和圖16b所示。圖16a和圖16b分別示出了納米摩擦發電機的第三種結構的立體結構示意圖和剖面結構示意圖。從圖中可以看出，第三種結構在第二種結構的基礎上增加了一個居間薄膜層，即:第三種結構的納米摩擦發電機包括依次層疊設置的第一電極161、第一高分子聚合物絕緣層162、居間薄膜層160、第二高分子聚合物絕緣層164以及第二電極163。具體地，第一電極161設置在第一高分子聚合物絕緣層162的第一側表面上；第二電極163設置在第二高分子聚合物絕緣層164的第一側表面上，且居間薄膜層160設置在第一高分子聚合物絕緣層162的第二側表面和第二高分子聚合物絕緣層164的第二側表面之間。其中，所述居間薄膜層160和第一高分子聚合物絕緣層162相對設置的兩個面中的至少一個面上設有微納結構165，和/或所述居間薄膜層160和第二高分子聚合物絕緣層164相對設置的兩個面中的至少一個面上設有微納結構165，關於微納結構165的具體設置方式可參照上文描述，此處不再贅述。
[0133]圖16a和圖16b所示的納米摩擦發電機的材質可以參照前述的第二種結構的納米摩擦發電機的材質進行選擇。其中，居間薄膜層也可以選自透明高聚物聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚二甲基矽氧烷(PDMS)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)和液晶高分子聚合物(LCP)中的任意一種。其中，所述第一高分子聚合物絕緣層與第二高分子聚合物絕緣層的材料優選透明高聚物聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET);其中，所述居間薄膜層的材料優選聚二甲基矽氧烷(PDMS)。上述的第一高分子聚合物絕緣層、第二高分子聚合物絕緣層、居間薄膜層的材質可以相同，也可以不同。但是，如果三層高分子聚合物絕緣層的材質都相同，會導致摩擦起電的電荷量很小，因此，為了提高摩擦效果，居間薄膜層的材質不同於第一高分子聚合物絕緣層和第二高分子聚合物絕緣層，而第一高分子聚合物絕緣層與第二高分子聚合物絕緣層的材質則優選相同，這樣，能減少材料種類，使本實用新型的製作更加方便。
[0134]在圖16a和圖16b所不的實現方式中，居間薄膜層160是一層聚合物膜，因此實質上與圖15a和圖15b所示的實現方式類似，仍然是通過聚合物(居間薄膜層)和聚合物(第二高分子聚合物絕緣層)之間的摩擦來發電的。其中，居間薄膜層容易製備且性能穩定。[0135]另外，納米摩擦發電機還可以採用第四種結構來實現，如圖17a和圖17b所示，包括:依次層疊設置的第一電極171，第一高分子聚合物絕緣層172，居間電極層170，第二高分子聚合物絕緣層174和第二電極173 ;其中，第一電極171設置在第一高分子聚合物絕緣層172的第一側表面上；第二電極173設置在第二高分子聚合物絕緣層174的第一側表面上，居間電極層170設置在第一高分子聚合物絕緣層172的第二側表面與第二高分子聚合物絕緣層174的第二側表面之間。其中，第一高分子聚合物絕緣層172相對居間電極層170的面和居間電極層170相對第一高分子聚合物絕緣層172的面中的至少一個面上設置有微納結構(圖未示)；第二高分子聚合物絕緣層174相對居間電極層170的面和居間電極層170相對第二高分子聚合物絕緣層174的面中的至少一個面上設置有微納結構(圖未示)。在這種方式中，通過居間電極層170與第一高分子聚合物絕緣層172和第二高分子聚合物絕緣層174之間摩擦產生靜電荷，由此將在居間電極層170與第一電極171和第二電極173之間產生電勢差，此時，第一電極171和第二電極173串聯為納米摩擦發電機的一個輸出電極；居間電極層170為納米摩擦發電機的另一個輸出電極。
[0136]在圖17a和圖17b所示的結構中，第一高分子聚合物絕緣層、第二高分子聚合物絕緣層、第一電極和第二電極的材質可以參照前述的第二種結構的納米摩擦發電機的材質進行選擇。居間電極層可以選擇導電薄膜、導電高分子、金屬材料，金屬材料包括純金屬和合金，純金屬選自金、銀、鉬、鈀、鋁、鎳、銅、鈦、鉻、硒、鐵、錳、鑰、鎢、釩等，合金可以選自輕合金(鋁合金、鈦合金、鎂合金、鈹合金等)、重有色合金(銅合金、鋅合金、錳合金、鎳合金等)、低熔點合金(鉛、錫、鎘、鉍、銦、鎵及其合金)、難熔合金(鎢合金、鑰合金、鈮合金、鉭合金等)。居間電極層80的厚度優選100 μ m-500 μ m,更優選200 μ m。
[0137]本實用新型提供的自充電超級電容器可以實現自充電功能，由於採用柔性材料製作，使得整個自充電超級電容器可以任意彎曲、變形，從而使得本實用新型的自充電超級電容器可以適應不同應用場合和環境。另外，本實用新型提供的自充電超級電容器可以實現超級電容器的快速充放電，而且放電過程中電容器的容量保持率高，可以實現更有效的充放電，是一個優異的儲能器件。除此，本實用新型提供的自充電超級電容器的結構設計靈活、巧妙，性能更佳，而且形狀、尺寸也可以根據使用者的需求加工，更為便捷化。
[0138]最後，需要注意的是:以上列舉的僅是本實用新型的具體實施例子，當然本領域的技術人員可以對本實用新型進行改動和變型，倘若這些修改和變型屬於本實用新型權利要求及其等同技術的範圍之內，均應認為是本實用新型的保護範圍。
【權利要求】
1.一種自充電超級電容器，其特徵在於，包括: 將機械能轉換為電能的至少一個納米摩擦發電機，每個納米摩擦發電機具有用於輸出電信號的兩個輸出電極； 與所述至少一個納米摩擦發電機的輸出電極相連的、將所述納米摩擦發電機輸出的電信號進行調節轉換的充電電路模塊；以及 與所述充電電路模塊相連的、接收所述充電電路模塊輸出的電信號並進行儲存的超級電容器。
2.根據權利要求1所述的自充電超級電容器，其特徵在於，所述超級電容器包括: 基底； 位於基底上的隔膜、超級電容器第一電極、超級電容器第二電極以及第一集流體、第二集流體，所述隔膜設置在所述超級電容器第一電極和超級電容器第二電極之間，所述第一集流體與超級電容器第一電極連接，所述第二集流體與超級電容器第二電極連接，所述充電電路模塊與所述第一集流體、第二集流體連接； 分別位於所述第一集流體和第二集流體上的兩個墊層片； 由所述兩個墊層片、所述隔膜、所述超級電容器第一電極和超級電容器第二電極形成的空腔，所述空腔內填充有電解液； 將所述電解液進行封裝的封裝層。
3.根據權利要求2所述的自充電超級電容器，其特徵在於，所述至少一個納米摩擦發電機設置在所述超級電容器的一側，所述至少一個納米摩擦發電機與所述超級電容器共用所述基底。`
4.根據權利要求2所述的自充電超級電容器，其特徵在於，所述至少一個納米摩擦發電機分設在所述超級電容器的兩側，設置在所述超級電容器下側的至少一個納米摩擦發電機與所述超級電容器共用所述基底，設置在所述超級電容器上側的至少一個納米摩擦發電機與所述超級電容器之間還設置有絕緣層。
5.根據權利要求1所述的自充電超級電容器，其特徵在於，所述超級電容器包括:依次平行層疊設置的第一集流體、超級電容器第一電極、隔膜、超級電容器第二電極和第二集流體；所述充電電路模塊與所述第一集流體、第二集流體連接。
6.根據權利要求5所述的自充電超級電容器，其特徵在於，所述至少一個納米摩擦發電機設置在所述超級電容器的一側，所述至少一個納米摩擦發電機與所述超級電容器之間還設置有絕緣層。
7.根據權利要求5所述的自充電超級電容器，其特徵在於，所述至少一個納米摩擦發電機分設在所述超級電容器的兩側，設置在所述超級電容器下側的至少一個納米摩擦發電機與所述超級電容器之間還設置有第一絕緣層，設置在所述超級電容器上側的至少一個納米摩擦發電機與所述超級電容器之間還設置有第二絕緣層。
8.根據權利要求3或5所述的自充電超級電容器，其特徵在於，所述納米摩擦發電機有多個，且陣列排列在同一層或不同層，形成並聯結構。
9.根據權利要求4或7所述的自充電超級電容器，其特徵在於: 設置在所述超級電容器下側的納米摩擦發電機有多個，且陣列排列在同一層或不同層，形成並聯結構；和/或，設置在所述超級電容器上側的納米摩擦發電機有多個，且陣列排列在同一層或不同層，形成並聯結構。
10.根據權利要求2或5所述的自充電超級電容器，其特徵在於，所述超級電容器為全固態超級電容器，選自全固態對稱型石墨烯超級電容器、全固態對稱型活性炭超級電容器、全固態活性炭與金屬氧化物非對稱型超級電容器、全固態活性炭與導電聚合物非對稱型超級電容器、全固態活性炭與鋰離子電池混合非對稱型超級電容器中的一種。
11.根據權利要求2所述的自充電超級電容器，其特徵在於，所述基底的材質選自聚對苯二甲酸乙二醇酯、矽和二氧化矽中的一種。
12.根據權利要求2所述的自充電超級電容器，其特徵在於，所述兩個墊層片的材質選自丁鈉橡膠、丁苯橡膠、丁腈橡膠、丁基橡膠、矽橡膠、聚氨酯橡膠、異戊橡膠、順丁橡膠、氟橡膠和丙烯酸酯橡膠中的一種。
13.根據權利要求2或5所述的自充電超級電容器，其特徵在於，所述隔膜的材質為氧化石墨。
14.根據權利要求2所述的自充電超級電容器，其特徵在於，所述封裝層的材質為鋁塑膜、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛、聚碳酸酯和聚醯胺膜中的一種。
15.根據權利要求2或5所述的自充電超級電容器，其特徵在於，所述第一集流體和第二集流體的材質選自銅、銀、鋁和鎳中的一種；所述超級電容器第一電極和超級電容器第二電極的材質選自石墨烯、活性炭、炭氣凝膠、碳纖維、金屬氧化物、導電聚合物和鋰離子電池電極材料中的一種。
16.根據權利要求2所述的自充電超級電容器，其特徵在於，所述超級電容器第一電極和超級電容器第二電極為:平行結構、交指結構、U形結構、螺旋形結構或樹枝狀結構。
17.根據權利要求1至7任一項所述的自充電超級電容器，其特徵在於，所述充電電路模塊包括: 與至少一個納米摩擦發電機的輸出電極相連的、將所述至少一個納米摩擦發電機輸出的電信號進行整流處理的整流電路模塊；以及 與所述整流電路模塊相連的、將所述整流電路模塊輸出的單向脈衝直流電進行濾波處理而得到直流電信號的濾波電路模塊，所述濾波電路模塊將所述直流電信號輸出給所述超級電容器。
18.根據權利要求17所述的自充電超級電容器，其特徵在於，所述充電電路模塊還包括:充電控制模塊和開關/變壓模塊； 所述充電控制模塊與濾波電路模塊連接，接收所述濾波電路模塊輸出的直流電信號；所述充電控制模塊與所述超級電容器連接，接收所述超級電容器反饋的充電電壓；所述充電控制模塊與所述開關/變壓模塊連接，所述充電控制模塊根據所述直流電信號和所述充電電壓得到控制信號，向所述開關/變壓模塊輸出所述控制信號； 所述開關/變壓模塊與所述濾波電路模塊連接，接收濾波電路模塊輸出的直流電信號；所述開關/變壓模塊與所述超級電容器連接，所述開關/變壓模塊根據接收的控制信號進行開關切換和對所述濾波電路模塊輸出的直流電信號進行變壓處理後輸出給所述超級電容器。
19.根據權利要求18所述的自充電超級電容器，其特徵在於，所述充電電路模塊還包括:發電機控制模塊； 所述發電機控制模塊與所述超級電容器連接，接收所述超級電容器反饋的充電電壓； 所述發電機控制模塊與所述納米摩擦發電機連接，所述發電機控制模塊根據所述充電電壓向所述納米摩擦發電機輸出停止發電的信號。
20.根據權利要求1至7任一項所述的自充電超級電容器，其特徵在於，所述納米摩擦發電機包括:依次層疊設置的第一電極，第一高分子聚合物絕緣層，以及第二電極；其中，所述第一電極設置在所述第一高分子聚合物絕緣層的第一側表面上；且所述第一高分子聚合物絕緣層的第二側表面朝向所述第二電極設置，所述第一電極和第二電極構成所述納米摩擦發電機的輸出電極。
21.根據權利要求20所述的自充電超級電容器，其特徵在於，所述第一高分子聚合物絕緣層朝向第二電極的面上設有微納結構。
22.根據權利要求20所述的自充電超級電容器，其特徵在於，所述納米摩擦發電機進一步包括:設置在所述第二電極和所述第一高分子聚合物絕緣層之間的第二高分子聚合物絕緣層，所述第二電極設置在所述第二高分子聚合物絕緣層的第一側表面上；且所述第二高分子聚合物絕緣層的第二側表面與所述第一高分子聚合物絕緣層的第二側表面相對設置。
23.根據權利要求22所述的自充電超級電容器，其特徵在於，所述第一高分子聚合物絕緣層和第二高分子聚合物絕緣層相對設置的兩個面中的至少一個面上設有微納結構。
24.根據權利要求22所述的自充電超級電容器，其特徵在於，所述納米摩擦發電機進一步包括:設置在所述第一高分子聚合物絕緣層和所述第二高分子聚合物絕緣層之間的居間薄膜層，其中，所述居間薄膜層為聚合物薄膜層，且所述第一高分子聚合物絕緣層相對所述居間薄膜層的面和居間薄膜層相對於第一高分子聚合物絕緣層的面中的至少一個面上和/或所述第二高分子聚合物絕緣層相對所述居間薄膜層的面和居間薄膜層相對第二高分子聚合物絕緣層的面中的至少一個面上設有微納結構。
25.根據權利要求1至7任一項所述的自充電超級電容器，其特徵在於，所述納米摩擦發電機包括:依次層疊設置的第一電極，第一高分子聚合物絕緣層，居間電極層，第二高分子聚合物絕緣層以及第二電極；其中，所述第一電極設置在所述第一高分子聚合物絕緣層的第一側表面上；所述第二電極設置在所述第二高分子聚合物絕緣層的第一側表面上，所述居間電極層設置在所述第一高分子聚合物絕緣層的第二側表面與所述第二高分子聚合物絕緣層的第二側表面之間，且所述第一高分子聚合物絕緣層相對所述居間電極層的面和居間電極層相對於第一高分子聚合物絕緣層的面中的至少一個面上和/或所述第二高分子聚合物絕緣層相對所述居間電 極層的面和居間電極層相對第二高分子聚合物絕緣層的面中的至少一個面上設有微納結構，所述第一電極和第二電極相連後與所述居間電極層構成所述納米摩擦發電機的輸出電極。
【文檔編號】H02N1/04GK203377111SQ201320128866
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年3月20日 優先權日:2013年3月20日
【發明者】徐傳毅, 趙豪, 吳寶榮, 郝立星 申請人:納米新能源（唐山）有限責任公司