專利名稱：使用基于碳納米管(cnt)的電極的能量收集設備的制作方法
使用基于碳納米管(CNT)的電極的能量收集設備
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，在由例如化石燃料、核裂變或流水產(chǎn)生動力的大型集中式電廠產(chǎn)生電力。例如，這種大規(guī)模發(fā)電的輸入燃料要求石油或煤炭，而這可能并非在世界上的所有地方都易于利用。由于世界范圍自然資源的逐漸減少，從現(xiàn)有環(huán)境資源進行能量收集或能量提取開始吸引關(guān)注。能量收集是一種從外部源(例如，太陽能、熱能、風能、鹽度差和動能)得到、捕獲和/或儲存能量的一種過程。與傳統(tǒng)的發(fā)電廠不同，能量收集裝置所用的燃料是自然存在的。例如，由于內(nèi)燃機操作而存在溫度梯度，并且在城市地區(qū)，由于無線電和電視廣播，在環(huán)境中存在大量的電磁能。因此，諸如太陽、風力和潮汐之類的大規(guī)模環(huán)境能量是廣泛可 用的；然而這些能量不能夠以高效率或者低成本來有效捕獲。一些類型的通過環(huán)境能量供以燃料的能量收集裝置即便不能夠產(chǎn)生足夠的能量來執(zhí)行機械工作，但也可以產(chǎn)生少量動力。利用環(huán)境機械振動來產(chǎn)生可持續(xù)動力源可以在太空和外部空間具有若干應用，例如在環(huán)境機械振動豐富的地方。例如，可以實施的其他應用包括使用提取的能量向遠程無線傳感器(可應用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM))供電，以及向微機電系統(tǒng)(MEMS)供電。另外，能量收集在應用于小型無線自動設備時可能是有用的，這樣的設備例如可佩戴電子設備和無線傳感器網(wǎng)絡中所使用的那些設備。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面，描述了一種基于傳感器的能量收集設備。該基于傳感器的能量收集設備包括離子聚合物-金屬復合結(jié)構(gòu)(IPMC)薄膜,包括第一和第二表面；以及金屬電極，耦合至第一和第二表面。金屬電極包括在環(huán)氧樹脂系統(tǒng)中勻質(zhì)散布的碳納米管(CNT)以形成CNT-環(huán)氧電極涂層，并且CNT-環(huán)氧電極涂層實質(zhì)上均勻地散布在第一和第二表面上。當IPMC薄膜經(jīng)受彎曲運動時，在金屬電極之間產(chǎn)生電勢。在另一方面，提出了一種基于傳感器的能量收集設備，包括離子聚合物-金屬復合結(jié)構(gòu)(IPMC)薄膜，包括第一和第二表面，第一層金屬電極，實質(zhì)上均勻地散布在第一表面上；以及第二層金屬電極，實質(zhì)上均勻地散布在第二表面上。第一層和第二層之一包括在環(huán)氧樹脂系統(tǒng)中勻質(zhì)散布的碳納米管(CNT)以形成CNT-環(huán)氧電極涂層。當IPMC薄膜經(jīng)受彎曲運動時，在金屬電極之間產(chǎn)生電勢。在再一方面，提出了一種形成基于傳感器的能量收集兀件的方法?；趥鞲衅鞯哪芰渴占且环N當經(jīng)受彎曲運動時在能量收集設備的電極之間產(chǎn)生電勢的能量收集元件。該方法包括對離子聚合物-金屬復合結(jié)構(gòu)(IPMC)薄膜進行熱處理，將掩模放置到IPMC薄膜的第一表面的一部分和第二表面的一部分上，以及在IPMC薄膜的第一表面和第二表面上沉積金屬電極涂層以形成實質(zhì)上均勻的電極涂層。金屬電極涂層包括在環(huán)氧樹脂系統(tǒng)中勻質(zhì)散布的碳納米管(CNT)以形成CNT-環(huán)氧電極涂層。該方法還包括從IPMC薄膜的第一表面和第二表面去除掩模。以上概述只是說明性的而不是意欲按照任何方式進行限制。除了上述說明性的方面、實施例和特征之外，另外的方面、實施例和特征通過參考附圖和以下詳細描述將變得清楚明白。


圖1A示出了示例能量收集元件的側(cè)視圖。圖1B示出了能量收集元件的另一示例的側(cè)視圖。圖2A是未使用的能量收集元件的表面的光學顯微圖。圖2B是在電解質(zhì)中機械彎曲變形25，000次之后圖2A的表面的光學顯微圖。圖3是示出了使用納米管制備能量收集設備的示例步驟的流程圖。
圖4示出了針對不同直徑的CNT的能帶隙的示例變化的曲線。圖5示出了用于分析示例能量收集設備的輸出電能密度的示例實驗裝置。圖6A和6B示出了在施加連續(xù)的周期性機械彎曲變形60，000循環(huán)的時間段上通過示例能量收集設備產(chǎn)生的電壓的時間歷史。圖7是示出了針對不同的金屬電極在含水條件下通過示例能量收集設備產(chǎn)生的能量密度的曲線。圖8是經(jīng)受60，000次機械彎曲變形由涂覆CNT的能量收集設備和涂覆銀的能量收集設備產(chǎn)生的最大功率密度的比較的曲線。圖9是以對數(shù)坐標示出了在多次使用循環(huán)之后涂覆CNT電極的聚合物和涂覆銀電極的聚合物的最大功率密度的曲線。圖10示出了示例能量收集系統(tǒng)。
具體實施例方式在以下詳細說明中，參考了作為詳細說明的一部分的附圖。在附圖中，類似符號通常表示類似部件，除非上下文另行指明。
具體實施方式
部分、附圖和權(quán)利要求書中記載的示例性實施例并不是限制性的。在不脫離在此所呈現(xiàn)主題的精神或范圍的情況下，可以利用其他實施例，且可以進行其他改變。應當理解，在此一般性記載以及附圖中圖示的本公開的各方案可以按照在此明確和隱含公開的多種不同配置來設置、替換、組合和設計，這些均構(gòu)成本公開的一部分。 例如，能量收集元件或能量收集膜是表現(xiàn)出致動器(actuator)和傳感器(sensor)兩者特性的復合結(jié)構(gòu)。這種元件也可以應用于燃料電池。為了能夠用于燃料電池，可以提高材料的導電性和機械耐久性。具體地，一般而言可以使用其他材料的組合來提高這種電池/燃料電池的壽命。在用作燃料電池的示例實施例中，可以通過將膜的活性材料暴露到環(huán)境活化條件下、并且收集所產(chǎn)生的至少一部分能量，來收集和轉(zhuǎn)換自然發(fā)生的能量。例如，可以使用各種類型的能量收集裝置如柔性聚合物，來實現(xiàn)從流體和流動環(huán)境或振動進行能量收集。圖1A示出了能量收集元件100 (或設備)的側(cè)視圖，包括聚合物102，該聚合物102在聚合物102的每一側(cè)上與電極104和106耦合或者涂覆有電極104和106。聚合物102可以是矩形形狀，并且包括涂覆在聚合物102長度的相對側(cè)上的電極104和106。聚合物102可以是聚苯乙烯主鏈(backbone)膜，例如Nafion或Flemion。
聚合物102可以是任意類型的活性材料，例如由涂覆有金屬電極薄膜的電活性聚合物(EAP)(例如，含離子聚合物或?qū)щ娋酆衔?制成的多功能復合結(jié)構(gòu)，或者用作機電換能器的壓電材料系統(tǒng)。例如，EAP膜通過形狀和尺寸變化對電激勵做出響應，并且基于致動機制而分類為電子或離子ΕΑΡ。一種具體類型的離子EAP的一個示例是離子聚合物-金屬復合結(jié)構(gòu)(IPMC)，IPMC包括基底聚合物膜，基底聚合物膜涂覆有金屬，金屬用作表面電極。聚合物102可以包括全氟離子交聯(lián)聚合物(perf Iuorinatedionomer),其包含離子基(如磺酸基或羧基)的側(cè)鏈。全氟烯烴(perfluorinated alkene)具有大的聚合物主鏈，并且側(cè)鏈提供與溶劑相互作用以產(chǎn)生活性特性的離子基。在示例實施例中，聚合物102的基底可以是Nafion Rl 17 (DuPont ),這是一種聚四氟乙烯(PTFE)和全氟化磺酸乙烯醚(perfluorinatedvinyl ether sulfonate)的共聚物。在其他示例中，聚合物102的基底可以是Flemion或者其他含離子聚合物。Nafion是細長、柔性、粗糙的，并且可以維持較大的應變，使得該材料對于高應力環(huán)境有用。承受較大應變的能力也允許Nafion具有有用的較大沖程(stroke)，這可能是有用的，因為估計操作頻率在例如約O. 2和約4. 2Hz之間。在下面的示例實施例中，Nafion IPMC可以用作不同介質(zhì)如空氣、去離子水和離子液體中的可持續(xù)發(fā)電源。在一個示例中，能量收集元件100可以是IPMC，該IPMC包括聚合電解質(zhì)膜或聚合物102 (例如，Nafion或Flemion)，該聚合電解質(zhì)膜或聚合物102通過貴金屬(例如電極104和106)在兩面或相對面上涂鍍，并且用電解質(zhì)中可獲得的一定數(shù)量相反離子中和，這平衡了共價地固定到膜的聚合物主鏈上的陰離子的電荷。離子含量影響材料的機電響應。機電響應例如還取決于金屬和電極的形態(tài)(morphology)、陽離子的性質(zhì)以及水合級別。在聚合物102中，例如機電耦合是離子擴散，離子擴散包括可動陽離子的運動。聚合物102具有固定的陰離子，而陽離子是可動的并且易于在電解質(zhì)中獲得。當聚合物102水合時，陽離子在施加的電場下朝著聚合物102表面上的電極(例如104或106)擴散。在聚合物結(jié)構(gòu)內(nèi)部，互相連接的簇(c luster)中的陰離子提供陽離子朝著電極流動的通道。離子的這種運動使聚合物102朝著陽極彎曲。聚合物102彎曲也將強制離子擴散并且產(chǎn)生電壓，可以通過電極來測量或者收集電壓。當聚合物102經(jīng)受振蕩彎曲運動時，產(chǎn)生了電勢。例如，可以使用電容器和AC/DC轉(zhuǎn)換器從這些運動收集能量，以產(chǎn)生可持續(xù)動力。此外，由于在銀-環(huán)氧樹脂電極系統(tǒng)中聚苯乙烯主鏈聚合物的存在，可以存在聚合物102的增強水合作用。因此，水的存在愈加使得電極104和106能夠收集更多的能量。其上散布了銀納米顆粒的聚合物102的隨機主鏈網(wǎng)絡(backbone network)也增強了下面的聚合物102 (例如，Nafion膜)的水合作用。電極104和106可以是貴金屬，例如鉬(Pt)、金(Au)或銀(Ag)，或者可以包括貴金屬與其他材料的混合物?？梢允褂蒙⒉技夹g(shù)將電極104和106結(jié)合到聚合物102以涂覆聚合物102，這使得電極104和106能夠覆蓋聚合物102的較大表面積。示例類型的電極涂層包括銀-環(huán)氧樹脂或者無定形碳黑-環(huán)氧樹脂。在電極104和106內(nèi)使用銀可以導致電解質(zhì)中相反離子的更好氧化。例如，銀原子具有能量小于費米能量的填滿d-軌道，導致電解質(zhì)中相反離子的良好氧化。此外，由于銀涂層的聚苯乙烯主鏈以及隨機的間隔，銀可以提供膜的增強水合作用。其他材料也可以用于涂覆膜。例如，另一種涂覆材料鉬(Pt)具有未完全填滿的d軌道和超過費米能級的能量，這可以導致相對較少的氧化，因此稍難收集能量。作為另外的示例，鉬和銀的組合物可以用作電極涂層?？梢酝ㄟ^用金屬電極涂覆聚合物102來實現(xiàn)銀-環(huán)氧樹脂和無定形碳黑環(huán)氧樹脂電極，其中金屬電極包括在聚苯乙烯中實質(zhì)上勻質(zhì)(homogenously)散布的銀或碳黑(約60%重量百分比)以及基于環(huán)氧樹脂的導電硬化劑。另外，可以在大約室溫設置下固化電極涂覆的聚合物。另外，例如，通過使用聚苯乙烯主鏈聚合物以散布銀納米顆粒作為能量收集元件100的電極104和106,在聚合物網(wǎng)絡層面設置較大的表面積用于電荷收集，由于聚合物的主鏈而增加了機械穩(wěn)定性，并且可以產(chǎn)生更多的水通道用于電極104和106下方的離子膜的水合作用。因此，使用散布技術(shù)涂覆電極104和106提供這些示例益處。另外，可以使用其他涂覆方法將電極104和106結(jié)合至聚合物102，例如噴涂、溶膠-凝膠沉積、電沉積或者氣相濺射。在示例實施例中，電極104和106還可以包括碳納米管(CNT)的混合物。例如，包 括在環(huán)氧樹脂中勻質(zhì)散布的CNT的電極涂層形成了 CNT-環(huán)氧電極涂層。可以通過在環(huán)氧樹脂系統(tǒng)中散布約5% NCT (重量百分比)、接著混合系統(tǒng)以實現(xiàn)近似勻質(zhì)的散布，從而得到CNT-環(huán)氧樹脂混合物，來實現(xiàn)CNT-環(huán)氧電極。然后可以將CNT-環(huán)氧混合物實質(zhì)上均勻地涂覆到聚合物102的表面上以形成電極104和106。例如，在涂覆電極104和106的同時，可以對聚合物102進行遮蔽以確保不會將電極104和106沉積到聚合物102的邊緣，以防止由于聚合物102的厚度上電極的連續(xù)性而導致的電荷末端泄漏或短路。在涂覆電極104和106之后，可以使用紅外(IR)輻射來固化聚合物102，從而固化CNT-環(huán)氧樹脂混合物，并獲得能量收集元件100的有效強度。這導致了基于CNT的能量收集元件100的疲勞強度增強。由于裂縫內(nèi)CNT的滲流網(wǎng)絡(percolati on network)的產(chǎn)生(如下所述)，在電極104和106內(nèi)使用CNT可以改善能量收集元件100的電荷收集性質(zhì)，這也可以改善離子膜的水合作用。此外，由于CNT網(wǎng)絡用作用于力傳遞的機械主鏈，增加了能量收集元件100的機械靈活性。在圖1A中，示出了將聚合物102的兩個伸長表面完全用電極104和106涂覆。然而在其他實施例中，可以只涂覆聚合物102的表面的一部分，或者可以用電極涂層只涂覆一個表面或者一個表面的一部分。涂層的位置和涂層的量可以根據(jù)能量收集元件的應用而變化。在一個示例中，可以將電極涂層104和106沉積到聚合物102的通道中。例如，沿聚合物的長度方向從一端到另一端可以存在小于約I厘米寬的通道，并且通道可以是約2-3cm長。電極104和106可以沉積在通道中，以在聚合物102的表面上形成實質(zhì)上均勻的涂層。由于各通道，電極涂層可以包括紋理或一定的圖案。例如，電極涂層104和106可以是約0.1mm至約0. Olmm的厚度。此外，電極涂層104和106可以與聚合物102的邊緣間隔開例如約Imm至約4mm，并且涂層可以具有約500微米以下的厚度。在電極的沉積期間，可以將掩模放置在聚合物102上遮擋邊緣，并且可以在施加電極之后去除掩模。例如，聚合物102的側(cè)面可以不包括任何電極涂層。能量收集元件100中電荷的流動可以從電極104至電極106，或者從電極106至電極104。例如當能量收集元件100經(jīng)受致動環(huán)境，例如在海水流中，可以利用實質(zhì)上均勻的CNT電極涂層實現(xiàn)電荷的連續(xù)流動。可以在聚合物上的任意位置處實現(xiàn)與電極104和106的連接，以將能量收集元件100與電路相連。例如，可以從聚合物102的頂部實現(xiàn)連接，并且該連接例如可以包括擴散到聚合物102中的薄金屬焊接連接。圖1B示出了包括聚合物110的能量收集元件108的另一實施例，其中只有聚合物110的一側(cè)包括電極涂層112。聚合物110的另一側(cè)例如包括石墨或碳涂層114。例如，電極涂層112和/或涂層114可以實質(zhì)上均勻地覆蓋聚合物110的表面，或者可以只覆蓋聚合物110的表面的一部分。能量收集元件108可以是混合型裝置。在這種混合型裝置中，聚合物110可以經(jīng)受彎曲。在能量收集設備108的陽極或金屬基電極(例如，電極涂層112)上，多孔通道將允許氫在聚合物110的全氟化膜內(nèi)流動。在聚合物108的另一表面/第二表面上存在第二電極(陰極)(例如，石墨或碳涂層114)時，將需要氧合作用。在陰極層，通過聚合物108的全氟化主鏈到達的氫離子將與氧反應。結(jié)果，電流將在外部電路中在陰極至陽極之間流動，并且由于水解型反應而產(chǎn)生水。除了之前解釋的彎曲變形所感應的電荷之外，具有兩個外部電極112和114以及可變形全氟化膜聚合物110的這種混合裝置將產(chǎn)生由于氫離子遷移以及由此導致的通過水解進行的質(zhì)子交換的組合作用而得到的電流。在圖1A-1B中只示出了一層聚合物，然而在其他實施例中，能量收集設備例如可以包括聚合物的多層疊層以便防止高彎曲力。聚合物疊層可以用作具有在最外表面上沉積的表面電極的單一同質(zhì)裝置，該裝置可以使用單一的能量源來激勵。包括具有兩個分離電極的聚合物層的聚合物疊層將具有并行添加的電流(利用適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)來避免回流到相鄰聚合物)。替代地，可以將多個能量收集設備進行組合并且串聯(lián)連接。當將不同的設備串聯(lián)連接以放大輸出電壓時，設備可以例如要求許多/分布式的能量源。在能量收集設備中使用多層聚合物或者使用多個能量收集設備將取決于應用。圖2A是未使用(或者略微使用)的能量收集元件的光學顯微圖。表面包括被示 出為在表面上均勻的銀金屬電極涂層。圖2B是在電解質(zhì)中機械彎曲變形25，000次之后圖2A所示表面的光學顯微圖。電極表面經(jīng)受了微裂縫，這導致在后續(xù)階段在聚合物-金屬電極界面處的銀電極分層。電極涂層可以在前幾個變形循環(huán)(cycle)內(nèi)出現(xiàn)微裂縫。電極涂層還可以在涂覆到聚合物上時、在后續(xù)的聚合期間以及在初始循環(huán)期間出現(xiàn)微裂縫。這些微裂縫導致在聚合物膜上出現(xiàn)電極島。當聚合物經(jīng)受機械彎曲變形時，所產(chǎn)生的應變導致內(nèi)部應力產(chǎn)生，內(nèi)部應力可能超過電極層的拉伸強度。這進一步沿聚合物的層狀(lamellar)結(jié)構(gòu)打開了微裂縫和水合通道，這可能導致電極分層。由于聚合物的水膨脹，微裂縫在開始的幾個循環(huán)內(nèi)聚集，隨后裂縫形態(tài)可能穩(wěn)定并且緩慢生長，導致了疲勞退化。如果電極是純金屬化的電極，則可以增強裂縫生長，導致了電荷流減小。例如，因為金屬是一種微粒形式的弱結(jié)合，可以在金屬化電極中發(fā)生電極裂縫的生長，弱結(jié)合可能不會防止微裂縫的生長。由于重且大離子的遷移和嵌入而導致的微裂縫或其他形成缺陷限制了材料的壽命，或者可能由于微裂縫中的電解質(zhì)沉積導致使輸出電能量退化。在這里的示例實施例中，導電或半導電納米管和/或納米線(例如，中空圓柱形式的碳納米管或者實心圓柱形式的納米線)可以用于通過電極表面的微裂縫產(chǎn)生滲流網(wǎng)絡，以通過加固電極的形態(tài)，改善膜的壽命。滲流網(wǎng)絡指的是通過導電介質(zhì)(即電極和聚合物膜周圍的電解質(zhì))在聚合物膜中的電荷輸運(例如，導電電子或離子的輸運)。例如，在IPMC中，可以通過由磺酸(_S03_)球簇的網(wǎng)絡產(chǎn)生的滲流路徑發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。電極涂層的初始裂縫導致水/電解質(zhì)滲流到聚合物中，這使得聚合物膜含水且柔軟，并且利用增加的陽離子(例如，在去離子水情況下為H"，或者電解質(zhì)情況下如Na+或Li+的鹽離子)可用性增加了電荷的滲流作用。因此，聚合物初始的微裂縫一定程度上有助于聚合物的水合作用，但是這些微裂縫的生長是不希望的。隨著增加的電荷滲流，存在電極分層的可能性，如在銀基IPMC中已經(jīng)觀察到的那樣。然而，在基于CNT的IPMC的示例實施例中，由于CNT的機械加固形性質(zhì)而并未觀察到電極的分層。例如，這導致了聚合物膜上應力傳遞的近似均勻性質(zhì)，從而使得IPMC的疲勞壽命延長。由于CNT的高剛度和高斷裂應變，CNT形成了有助于承擔拉應力的網(wǎng)絡，并且有助于限制或防止初始微裂縫的生長?；贑NT的電極也有助于在多個能量收集循環(huán)中提供聚合物的連續(xù)水合。然而，使用較高百分比的CNT來改善就聚合物的凝聚力和機械強 度可能導致能量收集元件的較高剛度，這可以減小彎曲變形，因此降低能量收集元件的性倉泛。圖3是示出了使用納米管制備能量收集設備的示例步驟的流程圖?；拙酆衔锬?例如，能夠進行離子輸運的EAP，如Nafion)可以用于該設備，并且最初可以預處理以進行表面粗糙化，如方框302所示。例如，砂紙可以用于擦磨膜，接著是對膜進行超聲清洗以去除任何殘留物。膜然后可以在稀釋的鹽酸(例如HC12N溶液)中熱處理(例如煮沸)約30分鐘，如方框304所示，然后用去離子水清洗，如方框306所示?？梢栽谌ルx子水中再次煮沸膜，以進一步去除任何酸成分，如方框308所示。加熱和清洗的步驟可以是可選的，或者例如可以基于膜的應用或者條件而重復。在一些實施例中，在將膜干燥之后，將金屬電極的薄涂層涂覆到膜的任一側(cè)上。此夕卜，電極涂層例如可以與聚合物的邊緣間隔開約I至4_。因此，在電極的沉積期間，可以將掩模放置在聚合物上邊緣上方，并且可以在施加電極之后去除掩模，如方框310所示。例如，聚合物的側(cè)面可以不包括任何電極涂層。在放置了掩模之后，可以沉積電極涂層，如方框312所示。電極可以包括在聚苯乙烯樹脂中實質(zhì)上勻質(zhì)散布的銀納米顆粒(例如約60%重量)和導電硬化劑。例如，可以使用軟刷將銀電極散布到聚合物表面上，以確保在表面上形成均勻一致的層。其他散布方法例如可以包括凝膠-溶膠方法、浸潰涂布、濺射、噴墨打印或旋涂。與使用例如濺射和電化學沉積方法相比，使用勻質(zhì)電極沉積方法可以導致電極和基底聚合物之間的更好結(jié)合。可以使用這種散布工藝實現(xiàn)電極(例如銀涂層)和聚合物(例如Nafion膜)之間的結(jié)合。例如，銀電極的組分可以是重量百分比為約40%至約100%范圍的銀。使用純銀(例如約100% )可以提供低機械穩(wěn)定性和低水合作用。替代地，使用重量小于100%或者約40%以下的銀可以提供具有良好水合作用和較弱電荷收集性能的主要基于聚苯乙烯的機械主鏈。電極中銀的按重量計的量可以取決于應用和所需的功率輸出。在示例實施例中，電極還可以包括碳納米管(CNT)的混合物。例如，電極可以包括在環(huán)氧樹脂系統(tǒng)中勻質(zhì)散布的CNT。可以通過在基于環(huán)氧樹脂的導電硬化劑中散布約5%CNT (重量百分比)、接著在乳化劑中混合以實現(xiàn)CNT-環(huán)氧樹脂混合物的近似均質(zhì)散布，來實現(xiàn)CNT-環(huán)氧樹脂電極。然后可以將CNT-環(huán)氧樹脂混合物實質(zhì)上均勻地涂覆到聚合物上以形成電極。在涂覆電極混合物時，可以對聚合物加掩模(如方框310)以限制電荷末端泄漏(例如，兩個表面電極之間無短路)。在涂覆電極之后，例如可以使用IR輻射固化聚合物?？梢詫NT嵌入到電極層中或者涂覆到電極層上以得到涂覆金屬-聚合物電極系統(tǒng)，涂覆金屬-聚合物電極系統(tǒng)具有CNT的電荷輸運性質(zhì)以及CNT的機械強度性質(zhì)。可以增加在涂覆金屬-聚合物系統(tǒng)中功能化的表面電極輸出的電能，并且由于CNT在電極內(nèi)形成的機械較強滲流網(wǎng)絡的形成而改善了總體疲勞壽命。在電極的導電基質(zhì)材料(matrixmaterial)在循環(huán)機械變形或由于固體-電解液界面現(xiàn)象而受到缺陷的情況下變得微裂和/或結(jié)塊/夾層之后，CNT加強了電極。例如，CNT的滲流網(wǎng)絡填充在微裂縫中，并且改善了能量收集設備的輸出能量效率和疲勞壽命。隨后，例如可以在電極涂層上設置電引線或連接點，如方框314所示，使得能夠?qū)⒃O備附接至IPMC電池，以便收集由IPMC電池產(chǎn)生的能量。IPMC系統(tǒng)可以基于傳感器或基于致動器?；贗PMC傳感器的系統(tǒng)是在施加彎曲負荷時能量收集設備在電極間產(chǎn)生電壓的系統(tǒng)。相反，IPMC致動器系統(tǒng)是在電極間施加電壓時產(chǎn)生變形的系統(tǒng)。由于這種致動導致的變形與機械/水動力能量收集傳感器系統(tǒng)中的變形相比較小。疲勞的機制和起因在基于傳感器的系統(tǒng)和基于致動器的系統(tǒng)這兩種不同現(xiàn)象中是不同的。在基于致動器的系統(tǒng)中，施加的電壓量是疲勞的起因；而在基于傳感器的能量收集系統(tǒng)中，所加的彎曲負荷是疲勞的直接起因。對在受控的環(huán)境下只工作幾百個循環(huán)的已知致動器系統(tǒng)所獲得的結(jié)果與對于在實際條件下工作用50，000個循環(huán)的基于傳感器系統(tǒng)的結(jié)果并不相同。例如，基于致動器的系統(tǒng)在一定閾值電壓下開始退化，例如在大于2. O伏特的電壓下(約150微米厚度以上的基于致動器的鉬電極IPMC)，聚合物中水的電解導致了IPMC的位移輸出的退化。對于基于致動器的鉬電極IPMC，位移退化可以在離子液體中致動約1000個循環(huán)之后開始，而對于水中的退化將在約100，000個循環(huán)之后才開始。在基于致動器的系統(tǒng)中，在系統(tǒng)上施加電壓時變形是在毫米的量級。例如，對于在幾百微米厚的膜上范圍在約O.1至5伏特的輸入電壓，相應的變形范圍從O. 25mm至約35mm0示例實施例包括對于基于傳感器的能量收集設備集成基于CNT的電極，用于增強抗疲勞性。基于傳感器的CNT能量收集設備在約72，000秒(約20小時)的連續(xù)工作時間段上的增強疲勞結(jié)果是由CNT能量收集設備產(chǎn)生的一致或?qū)嵸|(zhì)上一致的能量密度的函數(shù)。另外，一致和增強的能量密度與對于基于僅銀電極的能量收集設備的先前結(jié)果相比要高幾個數(shù)量級。使用按基于傳感器的系統(tǒng)操作的能量收集設備的基于CNT電極的示例實施例的能量產(chǎn)生不是由于CNT相對于聚合物本身內(nèi)基質(zhì)(matrix)的運動導致的。事實上,CNT用于雙重目的，即，CNT是電極中的機械加固和電荷收集器，并且例如在彎曲變形的情況下通過聚合物在其厚度上的層狀結(jié)構(gòu)在聚合物內(nèi)進行能量產(chǎn)生。在基于傳感器的系統(tǒng)中，在向膜加力時彎曲變形的施加在膜厚度上產(chǎn)生了電壓。對于在約幾個厘米范圍內(nèi)的樣本膜長度，基于傳感器系統(tǒng)的就位移而言的變形范圍在約5mm至100mm。向膜施加小變形導致產(chǎn)生電壓。電壓的量取決于感應的應變。利用約5mm變形的軟薄膜，將發(fā)生彎曲應變，并且例如在含水環(huán)境中產(chǎn)生約ImV的電壓。含水環(huán)境中較高濃度的電解質(zhì)給出較低的電壓。因此，電壓輸出也取決于所使用的系統(tǒng)中的環(huán)境。此外，在變形或應變的變化頻率的動態(tài)條件下使用這種膜改變并且影響電壓輸出。例如，在約7-8Hz的頻率下操作的約4cm長的具有基于CNT電極的聚合物產(chǎn)生約80mV的電壓。許多不同類型的CNT可以用于電極混合物中。例如，可以基于針對所需輸出所要求的能量規(guī)模，選擇CNT的類型含于電極混合物中，電極混合物具有針對滲流網(wǎng)絡的特定倉泛帶隙(energy band gap)和形態(tài)(morphology)。CNT性質(zhì)的特征在于在二維石墨烯片(graphene sheet)中定義的納米管手性指數(shù)(chirality index) (n, m)。η和m的值確定了 CNT的手性。手性進而影響了納米管的電導。如果是Kn-m) = 3q}的值(其中q是整數(shù))，將CNT看看作是金屬性的。而在{(n-m) ^ 3q}的情況下,將CNT看作是半導電的。 給定納米管手性指數(shù)η和m，可以使用以下關(guān)系確定CNT的直徑d = a^lf1........1m........等式(I)
Tt其中％是六邊形石墨烯的晶格常數(shù)，其值為2. 461埃。另外，給定納米管的直徑，可以使用以下關(guān)系確定能帶隙Egap = 2 Y 0ac_c/d 等式(2)其中Y。是碳-碳(C-C)鍵緊束縛重疊能(tight binding overlap energy),ac_c是最近鄰 C_C 鍵距離(nearest neightbor C-C bonddistance)(例如，0. 142nm),以及 d 是CNT的直徑。圖4示出了針對不同直徑的CNT的能帶隙的示例變化的曲線?？梢允褂靡韵玛P(guān)系將CNT的電阻表達為費米能級能量的泰勒系數(shù)展開
I a Γ 廣 E Vκ = Γ1^ντΧ 1 + exP TjV 等式⑶
沁I言 L KkB1 Jj其中tp|2是電子穿過帶隙的概率，Egap是能帶隙，以及kBT是熱能量。另外，可以計算電阻率，并且進而可以獲得CNT的導電率。選擇金屬性CNT作為電極中的滲流網(wǎng)絡的示例方案是根據(jù)網(wǎng)絡的密度增強了電荷收集性質(zhì)?；卺槍λ栎敵鏊蟮哪芰恳?guī)模，可以確定CNT的直徑，并且可以對η和m的值進行插值以選擇適當?shù)腃NT。為了分析這里描述的示例能量收集設備的輸出電能量密度，可以如圖5所示地建立實驗裝置。諸如銀納米顆粒/CNT混合物涂覆的IPMC之類的能量收集設備500包括作為端部夾板的兩個銅板502和504，它們在一端用作能量收集設備500的相對側(cè)上的引線。兩個電絕緣聚丙烯帶(未示出)可以用于握持銅板502和504。成對的銅板502和504作為電互連。能量收集設備500可以是約0. 04mX約0. 02mX約0. OOlm尺寸的IPMC(Nafion)膜的帶。該示例中的能量收集設備500可以具有約10.4Cm2(5.2CmX2Cm)的表面積。能量收集設備500可以是其他長度、寬度和高度，或者例如在(約0. 4cm-6cmX約0. 2cm-2cmX約0. lmm-0.1cm)之間的范圍。在一些示例中，能量收集設備500可以重約0. 3g。在示例實施例中，能量收集設備500可以包括任意電活性聚合物復合結(jié)構(gòu)(包括含離子聚合物或?qū)щ娋酆衔?，并且包括電極涂層(例如，散布于環(huán)氧樹脂系統(tǒng)中的CNT)。負載506如I兆歐(Mohm)的電阻性負載可以與能量收集設備500串聯(lián)連接以利用由能量收集設備500產(chǎn)生的能量。例如，選擇該示例電阻值，因為這與IPMC帶的內(nèi)阻相當。為了對能量收集設備500的運動進行仿真，能量收集設備500與步進電機508相連(例如，經(jīng)由未示出的鋁延長物)。例如，步進電極508可以使用BJT電流放大器來驅(qū)動?？梢越?jīng)由微控制器觸發(fā)對于步進電機508的控制輸入，微控制器指示步進電機508按照順時針方向旋轉(zhuǎn)給定的時間間隔，并且逆時針旋轉(zhuǎn)相同的時間間隔。這種運動建立了能量收集設備500的振蕩或搖擺型運動。通過改變步進電機508的運動來獲得振蕩的幅度和頻率變化。通過改變步進電機508的每一步長之間的內(nèi)部 延遲來改變頻率。通過改變沿每一方向的旋轉(zhuǎn)運動的占空比來修改振蕩幅度。調(diào)節(jié)步進電機508的振蕩，使得運動近似以垂直平面為中心，并且使得沿兩個方向的偏轉(zhuǎn)相同。將能量收集設備500放置于溶液中(例如，各種濃度的鹽電解質(zhì)溶液或者去離子水)，并且施加步進電機508的運動。步進電機508的最大偏轉(zhuǎn)保持將能量收集設備500浸沒在溶液中。在將引線連接至電阻性負載之后，測量電阻性負載兩端的電壓。電磁屏蔽可以用于減小或消除所測量電壓中的噪聲。在圖5中，Θ是能量收集設備500從平均位置的近似最大角位移。在空氣、去離子水以及NaCl濃度為約5g/l、約19g/l和約35g/l的氯化鈉(NaCl)電解液中執(zhí)行試驗。例如，約35g/l的最高濃度實質(zhì)上與海水中的鹽濃度相對應。例如，由于通過Nafion聚合物在CNT電極涂層之間的電荷運動，能量收集設備500產(chǎn)生能量?？梢酝ㄟ^使能量收集設備500進行水合來增加電荷的運動。電荷的運動導致了能量收集設備500兩側(cè)(例如電極)之間的電流和電勢差。一旦產(chǎn)生了能量，任意類型的電路可以與能量收集設備500相連以利用能量，例如圖5所示的負載506。替代地，例如電容器可以與能量收集設備400相連以儲存所產(chǎn)生的電荷。圖6A和6B示出了在施加連續(xù)的周期性機械彎曲變形60，000循環(huán)時間段期間，通過示例能量收集設備產(chǎn)生的電壓的時間歷史。在圖6A中，由包括銀涂覆IPMC器件的能量收集設備產(chǎn)生的電壓。如圖6A所示，在約60，000循環(huán)期間輸出電壓從約O. 008V下降至約0.004V。因此，輸出電壓大致減半，并且由于疲勞而性能逐漸退化，并且穩(wěn)定至最小電壓產(chǎn)生。在圖6B中，由包括銀/CNT涂覆MPC器件的能量收集設備產(chǎn)生的電壓。如圖6B所示，輸出電壓對于前60，000循環(huán)保持大致恒定在約O. 008V。因此，在連續(xù)產(chǎn)生能量時，在能量收集設備的電極內(nèi)使用CNT在60，000循環(huán)之后將電壓輸出增加了約25%至約50%。在60，000循環(huán)上CNT填充電極的改進機電性能表明了 CNT對于抗疲勞性的貢獻，這是由于滲漏網(wǎng)絡的產(chǎn)生從而在更長的壽命期間進行有效的電荷輸運。圖7是示出了針對不同金屬電極在含水條件下由示例能量收集設備產(chǎn)生的能量密度的曲線。例如，曲線示出了由涂覆有不同電極的能量收集設備產(chǎn)生的能量密度，電極包括CNT-環(huán)氧樹脂聚合物、銀-環(huán)氧樹脂聚合物和無定形碳-環(huán)氧樹脂聚合物。在NaCl濃度為約20g/L的鹽電解質(zhì)(NaCl)中包括的含水條件下執(zhí)行試驗。該濃度的選擇考慮了實際水力能量收集條件，例如潮汐能量收集，其中海水中的鹽濃度(NaCl)在約30-35g/L的范圍。也可以使用其他水合環(huán)境，例如具有很少(<0.5%)液體含量的高離子導電率的固態(tài)電解質(zhì)和凝膠。固態(tài)電解質(zhì)和凝膠是單一離子導體，其中由于一種離子通過不可移動的相反離子的晶格(通常是聚合物)而發(fā)生傳導。取決于電荷輸運的需要、電解質(zhì)的成分，陽離子或陰離子可以作為電荷載流子移動通過結(jié)構(gòu)。示例固體電解質(zhì)是氧化釔-穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)。其他類型的電解質(zhì)包括Na β "-氧化鋁(例如，多晶陶瓷固體電解質(zhì))和Zr (HPO4) 2. ηΗ20 (例如，基于鋯的無機固體電解質(zhì))。如圖7所示，CNT-環(huán)氧樹脂涂覆的能量收集設備具有范圍在約2000-2500 μ Whr/kg的能量密度，銀-環(huán)氧樹脂涂覆的能量收集設備具有約lSOOyWhr/kg的能量密度，而碳-環(huán)氧樹脂涂覆的能量收集設備具有范圍在約500-1000 μ ffhr/kg的能量密度。圖7中的曲線示出了 CNT涂覆的能量收集設備的機電性能是銀涂覆能量收集設備的大約2倍，是無定形碳涂覆的能量收集設備的約5倍。例如，作為在電極內(nèi)使用CNT的結(jié)果，在金屬-電極的形態(tài)和聚合物-金屬電極界面結(jié)合中存在改進，導致了承受更高機械應力而不會使機電性能退化的能力增強，從而提高了用于實際能量收集的能量收集設備的壽命。圖8是示出了通過另一示例CNT涂覆能量收集設備和另一示例銀涂覆能量收集設 備經(jīng)受約60，000循環(huán)的機械彎曲變形所產(chǎn)生的最大功率密度的比較。曲線示出了在電極涂層內(nèi)使用CNT增加了最大峰峰功率密度。這種結(jié)果表明由于在60，000循環(huán)彎曲變形的時間段上連續(xù)能量收集而導致的能量收集設備的疲勞壽命的改進。對于銀涂覆的能量收集設備，所產(chǎn)生的最大功率密度隨著60，000循環(huán)操作的增加而減小為初始值的一半。圖9是以對數(shù)坐標圖示在多次使用循環(huán)時另一示例CNT電極涂覆聚合物和另一示例銀電極涂覆聚合物的最大功率密度的曲線。例如，在外推時，基于銀的電極聚合物的估計壽命是約O. 4xl06循環(huán)，而基于CNT的電極聚合物的估計壽命是約500xl06循環(huán)。外推線表示在功率產(chǎn)生方面完全失效之前的預期壽命。圖9中的曲線示出了單一 CNT電極涂覆的IPMC膜(例如,約40mm x20mm的面積)產(chǎn)生了約O. 5微W/kg的功率密度，其成為約O. 13125pff/m2的具體功率。在示例實施例中，能量收集系統(tǒng)可以用于從基于傳感器的能量收集設備收集能量。圖10示出了示例能量收集設備。該系統(tǒng)可以包括收納能量收集元件1002的結(jié)構(gòu)1000。該結(jié)構(gòu)可以定位為接收環(huán)境產(chǎn)生的振動，并且可以根據(jù)要接收的環(huán)境產(chǎn)生振動的類型進行設計。該系統(tǒng)還可以包括與能量收集元件1002連通以收集能量的設備1004，例如能量收集設備(例如，電容器、燃料電池)。設備1004可以是任意類型的設備，并且取決于系統(tǒng)的應用而變化。例如，設備1004可以通過引線與能量收集元件1002相連。因此,在向能量收集元件1002應用彎曲負荷時,能量收集元件1002在電極上產(chǎn)生電壓。能量收集元件可以是具有電極涂層的聚合物。電極涂層可以注入有CNT，如上所述。基于IPMC的能量收集設備是機械柔軟的，并且易于形成、無毒且生物相容，在低頻率或半靜態(tài)條件下可響應，在含水環(huán)境下有效且可使用，并且可應用于包括凝膠和固態(tài)電解質(zhì)在內(nèi)的多種電解質(zhì)。與在使用時可能更加受限的使用壓電材料的能量收集系統(tǒng)不同。這里描述的示例實施例的能量收集元件和設備可以用于許多不同類型的應用。示例應用包括向生物醫(yī)藥植入物供電(由于生物兼容性)，例如使用心臟心室壁上的變形機制向起搏器或心臟瓣膜供電。其他應用包括大規(guī)模應用，例如流體感應廢水發(fā)電和潮汐能量收集。例如，固體電解質(zhì)和或凝膠電解質(zhì)可以在應用中用于對膜封裝，并在諸如可佩帶電子設備(例如，用于通過走路向電子小配件供電的腳戴設備)之類的應用中實現(xiàn)水合狀態(tài)，或者用于封裝的能量收集鍵盤中以向計算機和移動電話中的小電路供電。使用CNT可以對于其中循環(huán)機械變形或應力起不利作用的應用改善基于IPMC材料的疲勞壽命。示例應用包括水力能量收集和用于超級電容器的電極設計，其中在充電和放電過程期間出現(xiàn)循環(huán)的應力。使用這里描述的示例設備，可以獲得與基于金屬-氧化物的超級電容器相當?shù)腎PMC材料的輸出能量密度。例如，這里描述的實施例可以在廣泛部署的遠程醫(yī)療應用中有用。非傳統(tǒng)身體可放置(在開放的空氣和室溫下的嵌入式IPMC的彎曲-拉伸)或者可植入傳感器(流體環(huán)境中的IPMC)可以包括小型柔軟長期能量轉(zhuǎn)換器。作為另一示例，傳感器的簇可以交叉編織到織物中，以用在襯衫、皮帶、鞋、頭飾和其他服飾中。也可以使用由于人體的器官和肢體的變形而經(jīng)受彎曲應變的流體嵌入式IPMC來向生物醫(yī)療植入設備和相關(guān)電子控制系統(tǒng)供 電。由于聚合物型基底材料，IPMC可以是寄主結(jié)構(gòu)的一體部分，寄主結(jié)構(gòu)例如植入物、血液動力設備、動脈中的血流、瓣膜、衣服、從下水道環(huán)境中的管道流的能量收集、在家用器具中的管道流以及一些其他應用。另外，在低振動(具有旋轉(zhuǎn)運動和其他運動部件的設備)或流體環(huán)境(例如，在醫(yī)學植入物和診斷設備)下需要對目標設備(例如無線設備)供電的情況下，所需形狀的基于柔性聚合物的薄膜可以從環(huán)境能量源產(chǎn)生所要求的功率?；贗PMC的能量收集系統(tǒng)可以用于以下應用，例如包括潮汐波能量收集、剩余環(huán)境能量收集以向MEMS和納米機電系統(tǒng)(NEMS)器件供電，以及用于生物醫(yī)療、航空和海洋應用的傳感器和致動器。本公開不限于在本申請中描述的具體實施例，這些具體實施例意在說明不同方案。本領域技術(shù)人員清楚，不脫離本公開的精神和范圍，可以做出許多修改和變型。本領域技術(shù)人員根據(jù)之前的描述，除了在此所列舉的方法和裝置之外，還可以想到本公開范圍內(nèi)功能上等價的其他方法和裝置。這種修改和變型應落在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。本公開應當由所附權(quán)利要求以及這些權(quán)利要求所享有的等價描述的整個范圍來限定。應當理解，本公開不限于具體方法、試劑、化合物組成或生物系統(tǒng)，這些都是可以改變的。還應理解，這里所使用的術(shù)語僅用于描述具體實施例的目的，而不應被認為是限制性的。至于本文中任何關(guān)于多數(shù)和/或單數(shù)術(shù)語的使用，本領域技術(shù)人員可以從多數(shù)形式轉(zhuǎn)換為單數(shù)形式，和/或從單數(shù)形式轉(zhuǎn)換為多數(shù)形式，以適合具體環(huán)境和/或應用。為清楚起見，在此明確聲明單數(shù)形式/多數(shù)形式可互換。本領域技術(shù)人員應當理解，一般而言，所使用的術(shù)語，特別是所附權(quán)利要求中(例如，在所附權(quán)利要求的主體部分中)使用的術(shù)語，一般地應理解為“開放”術(shù)語(例如，術(shù)語“包括”應解釋為“包括但不限于”，術(shù)語“具有”應解釋為“至少具有”等)。本領域技術(shù)人員還應理解，如果意在所引入的權(quán)利要求中標明具體數(shù)目，則這種意圖將在該權(quán)利要求中明確指出，而在沒有這種明確標明的情況下，則不存在這種意圖。例如，為幫助理解，所附權(quán)利要求可能使用了引導短語“至少一個”和“一個或多個”來引入權(quán)利要求中的特征。然而，這種短語的使用不應被解釋為暗示著由不定冠詞“一”或“一個”引入的權(quán)利要求特征將包含該特征的任意特定權(quán)利要求限制為僅包含一個該特征的實施例，即便是該權(quán)利要求既包括引導短語“一個或多個”或“至少一個”又包括不定冠詞如“一”或“一個”(例如，“一”和/或“一個”應當被解釋為意指“至少一個”或“一個或多個”)；在使用定冠詞來引入權(quán)利要求中的特征時，同樣如此。另外，即使明確指出了所引入權(quán)利要求特征的具體數(shù)目，本領域技術(shù)人員應認識到，這種列舉應解釋為意指至少是所列數(shù)目(例如，不存在其他修飾語的短語“兩個特征”意指至少兩個該特征，或者兩個或更多該特征)。另外，在使用類似于“A、B和C等中至少一個”這樣的表述的情況下，一般來說應該按照本領域技術(shù)人員通常理解該表述的含義來予以解釋(例如，“具有A、B和C中至少一個的系統(tǒng)”應包括但不限于單獨具有A、單獨具有B、單獨具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系統(tǒng)等)。在使用類似于“A、B或C等中至少一個”這樣的表述的情況下，一般來說應該按照本領域技術(shù)人員通常理解該表述的含義來予以解釋(例如，“具有A、B或C中至少一個的系統(tǒng)”應包括但不限于單獨具有A、單獨具有B、單獨具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系統(tǒng)等)。本領域技術(shù)人員還應理解，實質(zhì)上任意表示兩個或更多可選項目的轉(zhuǎn)折連詞和/或短語，無論是在說明書、權(quán)利要求書還是附圖中，都應被理解為給出了包括這些項目之一、這些項目任一方、或兩個項目的可能性。例如，短語“A或B”應當被理解為包括“A”或“B”、或“A和B”的可能性。另外，在以馬庫什組描述本公開的特征或方案的情況下，本領域技術(shù)人員應認識至IJ，本公開由此也是以該馬庫什組中的任意單獨成員或成員子組來描述的。本領域技術(shù)人員應當理解，出于任意和所有目的，例如為了提供書面說明，這里公開的所有范圍也包含任意及全部可能的子范圍及其子范圍的組合。任意列出的范圍可以被容易地看作充分描述且實現(xiàn)了將該范圍至少進行二等分、三等分、四等分、五等分、十等分等。作為非限制性示例，在此所討論的每一范圍可以容易地分成下三分之一、中三分之一和上三分之一等。本領域技術(shù)人員應當理解，所有諸如“直至”、“至少”、“大于”、“小于”之類的語言包括所列數(shù)字，并且指代了隨后可以如上所述被分成子范圍的范圍。最后，本領域技術(shù)人員應當理解，范圍包括每一單獨數(shù)字。因此，例如具有1 3個單元的組是指具有1、2或3個單元的組。類似地,具有1 5個單元的組是指具有1、2、3、4或5個單元的組，以此類推。盡管已經(jīng)在此公開了多個方案和實施例，但是本領域技術(shù)人員應當明白其他方案和實施例。這里所公開的多個方案和實施例是出于說明性的目的，而不是限制性的，本公開的真實范圍和精神由所附權(quán)利要求表征。
權(quán)利要求
1.一種基于傳感器的能量收集設備，包括 離子聚合物-金屬復合結(jié)構(gòu)IPMC薄膜，包括第一和第二表面；以及 金屬電極，耦合至所述第一和第二表面，其中所述金屬電極包括在環(huán)氧樹脂系統(tǒng)中實質(zhì)上勻質(zhì)散布的碳納米管CNT以形成CNT-環(huán)氧電極涂層，其中所述CNT-環(huán)氧電極涂層實質(zhì)上均勻地散布在所述第一和第二表面上， 其中當所述IPMC薄膜經(jīng)受彎曲運動時，在所述金屬電極之間產(chǎn)生電勢。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于傳感器的能量收集設備，其中所述第一和第二表面完全被所述CNT-環(huán)氧電極涂層涂覆。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于傳感器的能量收集設備，其中將所述CNT-環(huán)氧電極涂層散布在所述第一和第二表面上，與所述第一第二表面的邊緣間隔開約Imm至約4mm。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的基于傳感器的能量收集設備，其中將所述CNT-環(huán)氧電極涂層沉積到所述第一和第二表面上以形成實質(zhì)上均勻的涂層。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的基于傳感器的能量收集設備，其中所述CNT-環(huán)氧電極涂層的厚度是約0.1cm以下。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的基于傳感器的能量收集設備，還包括與所述IPMC薄膜相連的能量收集器，以收集通過所述IPMC薄膜產(chǎn)生的能量。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的基于傳感器的能量收集設備，其中所述金屬電極包括重量百分比為約5%的CNT。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的基于傳感器的能量收集設備，其中所述IPMC包括基底含離子聚合物。
9.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的基于傳感器的能量收集設備，其中所述能量收集設備以約0. 2Hz和約4. 2Hz之間的頻率操作。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的基于傳感器的能量收集設備，其中所述IPMC薄膜是聚合物膜，所述聚合物膜具有范圍在約0. 4cm至5. 2cmX約0. 2cm至2cmX約0.1mm至0.1cm的尺寸。
11.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的基于傳感器的能量收集設備，其中所述IPMC薄膜是矩形形狀，并且其中所述第一和第二表面是沿從第一端到第二端延伸的所述IPMC薄膜長度方向上的相對的實質(zhì)上平坦表面。
12.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的基于傳感器的能量收集設備，其中當所述IPMC薄膜經(jīng)受彎曲運動時，所述CNT在所述金屬電極中出現(xiàn)的裂縫內(nèi)產(chǎn)生滲流網(wǎng)絡。
13.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的基于傳感器的能量收集設備，其中基于針對所述滲流網(wǎng)絡的特定能帶隙和形態(tài)來選擇CNT的類型。
14.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的基于傳感器的能量收集設備，其中所述CNT機械加固所述金屬電極。
15.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的基于傳感器的能量收集設備，其中所述CNT用作所述金屬電極中的電荷收集器，并且當經(jīng)受彎曲運動時在所述IPMC薄膜的厚度上產(chǎn)生能量。
16.一種基于傳感器的能量收集設備，包括 離子聚合物-金屬復合結(jié)構(gòu)IPMC薄膜，包括第一表面和第二表面；以及 第一層金屬電極，實質(zhì)上均勻地散布在所述第一表面上；以及第二層金屬電極，實質(zhì)上均勻地散布在所述第二表面上， 其中所述第一層和所述第二層之一包括在環(huán)氧樹脂系統(tǒng)中實質(zhì)上勻質(zhì)散布的碳納米管CNT以形成CNT-環(huán)氧電極涂層， 當所述IPMC薄膜經(jīng)受彎曲運動時，在所述金屬電極之間產(chǎn)生電勢。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的基于傳感器的能量收集設備，還包括與所述IPMC薄膜相連的能量收集器，以收集通過所述IPMC薄膜產(chǎn)生的能量。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的基于傳感器的能量收集設備，其中所述第一層和所述第二層之一是圖形涂層。
19.根據(jù)權(quán)利要求16至18中之一所述的基于傳感器的能量收集設備，其中所述金屬電極包括重量百分比為約5 %的CNT。
20.一種形成基于傳感器的能量收集元件的方法，其中當所述能量收集元件經(jīng)受彎曲運動時，在所述能量收集元件的電極之間產(chǎn)生電勢，所述方法包括 對離子聚合物-金屬復合結(jié)構(gòu)IPMC薄膜進行熱處理； 將掩模放置到所述IPMC薄膜的第一表面的一部分和第二表面的一部分上；以及 在IPMC薄膜的第一表面和第二表面上沉積金屬電極涂層以形成實質(zhì)上均勻的電極涂層，其中所述金屬電極涂層包括在環(huán)氧樹脂系統(tǒng)中實質(zhì)上勻質(zhì)散布的碳納米管CNT以形成CNT-環(huán)氧電極涂層；以及 從所述IPMC薄膜的第一表面和第二表面去除所述掩模。
全文摘要
提出了一種能量收集元件或能量收集膜，其使用具有碳納米管(CNT)混合物的電極層。這種類型的能量收集設備可以用作基于傳感器的系統(tǒng)，其中在施加彎曲負荷時，能量收集設備在電極間產(chǎn)生電壓。能量收集設備可以包括電極涂層，電極涂層包括在環(huán)氧樹脂系統(tǒng)中實質(zhì)上勻質(zhì)散布的碳納米管(CNT)以形成CNT-環(huán)氧電極涂層?？梢酝ㄟ^將約5％(按重量計)的CNT散布在環(huán)氧樹脂系統(tǒng)中、接著混合該系統(tǒng)以實現(xiàn)近似勻質(zhì)的散布(得到CNT-環(huán)氧混合物)來實現(xiàn)CNT-環(huán)氧電極。然后將CNT-環(huán)氧混合物均勻地涂覆在聚合物的表面上以形成電極。
文檔編號H01L41/113GK103026519SQ201080068180
公開日2013年4月3日 申請日期2010年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月2日
發(fā)明者德彼坡羅薩德·羅伊·馬哈帕特拉, 阿爾溫德·克里希納斯瓦米 申請人:印度科學院