本發(fā)明涉及納米發(fā)電機(jī)和超級(jí)電容器領(lǐng)域，特別是涉及一種柔性電紡絲網(wǎng)狀膜的制備方法、基于該柔性電紡絲網(wǎng)狀膜的柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)、柔性固態(tài)超級(jí)電容器、自充電系統(tǒng)和可穿戴電子設(shè)備。

背景技術(shù)：

摩擦納米發(fā)電機(jī)具有成本低、高效率、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出為峰值、交流輸出，因此，它不可以直接驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備。并且大部分用電情況都不是發(fā)電直接使用，而是需要將其儲(chǔ)存起來(lái)再使用。所以可以將摩擦納米發(fā)電機(jī)與電能儲(chǔ)存裝置相結(jié)合形成形同，從而得到穩(wěn)定且持續(xù)的輸出。目前較成熟的儲(chǔ)存電能系統(tǒng)有鋰離子電池和超級(jí)電容器。相比于鋰離子電池，超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)在于高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)密度以及環(huán)境友好等。因此，對(duì)于用來(lái)收集摩擦納米發(fā)電機(jī)在低頻所產(chǎn)出的脈沖電能，超級(jí)電容器是更好的選擇。將摩擦納米發(fā)電機(jī)與超級(jí)電容器結(jié)合，從而組成可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能并能儲(chǔ)存的自充電系統(tǒng)。

通常最簡(jiǎn)易的摩擦納米發(fā)電機(jī)包括兩種材料：一是摩擦納米發(fā)電機(jī)的電極，同時(shí)可作為導(dǎo)電性較好的摩擦層；二是導(dǎo)電性較差的摩擦材料。最簡(jiǎn)易的超級(jí)電容器為平行板固態(tài)超級(jí)電容器，其包括有隔膜以及電容性質(zhì)的活性材料也可作為電極。導(dǎo)電性較差的摩擦層，通常為聚合物，如PTFE、PP等；電極材料通常為金屬，如銅、鋁、鈦片等，這些金屬在一定的條件下很容易被氧化和腐蝕。近期，從成本、穩(wěn)定性等方面來(lái)考慮，非金屬電極被更多的研究者關(guān)注。其中非金屬電極大致分為兩類：一是導(dǎo)電聚合物，如聚吡咯等；二是碳材料，如石墨烯、碳管等。現(xiàn)有技術(shù)中存在利用電沉積法制備聚吡咯的方法，但電化學(xué)沉積方法要求必須為金屬導(dǎo)電襯底，且在工業(yè)實(shí)踐過(guò)程中需要配置電化學(xué)裝置，不利于大規(guī)模生產(chǎn)，成本高，重復(fù)性差。同時(shí)在該工作以聚吡咯為電極和摩擦層的摩擦納米發(fā)電機(jī)與超級(jí)電容器所形成的自充電系統(tǒng)不可彎曲，這局限了該系統(tǒng)收集機(jī)械能的應(yīng)用范圍。

因此，研究出一種組分簡(jiǎn)易、操作簡(jiǎn)單、成本低、無(wú)污染、高效的柔性自充電系統(tǒng)以滿足應(yīng)用需求有著重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個(gè)目的是要克服現(xiàn)有的摩擦納米發(fā)電機(jī)和固態(tài)超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)帶來(lái)的缺點(diǎn)，提供一種柔性電紡絲網(wǎng)狀膜的制備方法，并將制備出的柔性電紡絲網(wǎng)狀膜應(yīng)用在摩擦納米發(fā)電機(jī)和固態(tài)超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)中，并由此組裝得到基于柔性電紡絲網(wǎng)狀膜的自充電系統(tǒng)。

本發(fā)明一個(gè)進(jìn)一步的目的是滿足現(xiàn)在對(duì)于便攜式可穿戴電子設(shè)備的供電需求。為了滿足現(xiàn)在社會(huì)的需求，例如可穿戴顯示器、電子皮膚和分散式傳感器這樣的柔性集成的便攜式可穿戴設(shè)備快速發(fā)展。所以這些設(shè)備的電源同樣需要滿足柔性、可穿戴、輕便等要求。而本發(fā)明是基于柔性電紡絲網(wǎng)狀膜的自充電系統(tǒng)，能夠應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)一系列便攜式電子設(shè)備。該系統(tǒng)內(nèi)的摩擦納米發(fā)電機(jī)可以收集人體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的機(jī)械能，并將其轉(zhuǎn)化為電能。這部分電能經(jīng)過(guò)整流可以儲(chǔ)存在固態(tài)超級(jí)電容器里，從而使得固態(tài)超級(jí)電容器可以驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備。

特別地，本發(fā)明提供了一種柔性電紡絲網(wǎng)狀膜的制備方法，包括如下步驟：

將預(yù)定量的非導(dǎo)電聚合物分散到溶劑中，以獲得質(zhì)量濃度為8-15％的聚合物溶液；

將所述聚合物溶液加入到帶有噴射口的容器中，利用注射泵控制注射速度為0.6-1.2mL/h，并在噴射口和接地接收端之間加12-18kV的電壓，以使得所述聚合物溶液在電壓靜電作用下從所述噴射口噴出而得到拉伸，并伴隨著所述溶劑的揮發(fā)而固化，以在所述接地接收端形成纖維網(wǎng)狀膜；

將所述纖維網(wǎng)狀膜在空氣氣氛中進(jìn)行預(yù)氧化處理，以獲得聚合物纖維網(wǎng)狀膜；和

將所述聚合物纖維網(wǎng)狀膜在惰性氣氛中進(jìn)行高溫碳化處理，以獲得碳纖維網(wǎng)狀膜。

進(jìn)一步地，所述噴射口和所述接地接收端之間的距離為10-20cm；

其中，所述纖維網(wǎng)狀膜在空氣氣氛中進(jìn)行預(yù)氧化處理的處理溫度為200-280℃；

其中，所述聚合物纖維網(wǎng)狀膜在惰性氣氛中進(jìn)行高溫碳化處理的處理溫度為600-900℃。

進(jìn)一步地，所述非導(dǎo)電聚合物選自聚丙烯腈、聚乙烯吡絡(luò)烷酮、聚甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰亞胺、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚雙苯酚碳酸酯和聚氯乙烯中的一種或多種的組合。

特別地，本發(fā)明提供了一種基于柔性電紡絲網(wǎng)狀膜的柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)，包括：

第一碳纖維網(wǎng)狀膜層，其由上述的制備方法獲得的碳纖維網(wǎng)狀膜形成；

第一聚合物纖維網(wǎng)狀膜層，其由上述的制備方法獲得的聚合物纖維網(wǎng)狀膜形成，所述第一聚合物纖維網(wǎng)狀膜層的上表面與所述第一碳纖維網(wǎng)狀膜層的下表面相對(duì)設(shè)置或者所述第一聚合物纖維網(wǎng)狀膜層的下表面與所述第一碳纖維網(wǎng)狀膜層的上表面相對(duì)設(shè)置；和

形成在所述第一聚合物纖維網(wǎng)狀膜層的上表面或者下表面的導(dǎo)電層；

其中，所述第一碳纖維網(wǎng)狀膜層和所述第一聚合物纖維網(wǎng)狀膜層構(gòu)造成在所述摩擦納米發(fā)電機(jī)受到外力作用時(shí)會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，并通過(guò)所述第一碳纖維網(wǎng)狀膜層和所述導(dǎo)電層向外電路輸出電信號(hào)。

進(jìn)一步地，所述第一碳纖維網(wǎng)狀膜層造成第一拱形狀，所述第一聚合物纖維網(wǎng)狀膜層構(gòu)造成與所述第一碳纖維網(wǎng)狀膜層的第一拱形狀相對(duì)應(yīng)的第二拱形狀；

其中，在所述摩擦納米發(fā)電機(jī)受到外力作用時(shí)，所述第一碳纖維網(wǎng)狀膜層和所述第一聚合物纖維網(wǎng)狀膜層會(huì)從彎曲狀態(tài)變?yōu)樯鞆垹顟B(tài)，以使得所述第一碳纖維網(wǎng)狀膜層和所述第一聚合物纖維網(wǎng)狀膜層之間發(fā)生相對(duì)位移，以輸出電信號(hào)；

在所述摩擦納米發(fā)電機(jī)受到的所述外力釋放時(shí)，所述第一碳纖維網(wǎng)狀膜層和所述第一聚合物纖維網(wǎng)狀膜層會(huì)從伸張狀態(tài)變?yōu)閺澢鸂顟B(tài)，以使得所述第一碳纖維網(wǎng)狀膜層和所述第一聚合物纖維網(wǎng)狀膜層之間發(fā)生相對(duì)位移，以輸出相反的電信號(hào)。

特別地，本發(fā)明提供了一種基于柔性電紡絲網(wǎng)狀膜的柔性固態(tài)超級(jí)電容器，包括：

第二聚合物纖維網(wǎng)狀膜層，其由上述的制備方法獲得的聚合物纖維網(wǎng)狀膜形成；和

形成在所述第二聚合物纖維網(wǎng)狀膜層兩側(cè)的兩層第二碳纖維網(wǎng)狀膜層，每一碳纖維網(wǎng)狀膜層由上述的制備方法獲得的碳纖維網(wǎng)狀膜形成。

進(jìn)一步地，所述第二聚合物纖維網(wǎng)狀膜層和所述兩層第二碳纖維網(wǎng)狀膜層之間相互平行設(shè)置。

特別地，本發(fā)明提供了一種基于柔性電紡絲網(wǎng)狀膜的自充電系統(tǒng)，其中，包括：

上述的柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)；

上述的柔性固態(tài)超級(jí)電容器；和

整流橋，用于將所述柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出的交流電信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流電信號(hào)，并將所述直流電信號(hào)輸出給所述柔性固態(tài)超級(jí)電容器。

其中，所述柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)和所述柔性固態(tài)超級(jí)電容器的數(shù)量分別至少為一個(gè)。

進(jìn)一步地，多個(gè)所述柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)并聯(lián)，多個(gè)所述柔性固態(tài)超級(jí)電容器串聯(lián)；

其中，根據(jù)并聯(lián)后所述多個(gè)柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出的電信號(hào)來(lái)確定串聯(lián)的柔性固態(tài)超級(jí)電容器的數(shù)量，以使得所述柔性固態(tài)超級(jí)電容器輸入的電信號(hào)與所述柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出的電信號(hào)相匹配。

特別地，本發(fā)明提供了一種基于柔性電紡絲網(wǎng)狀膜的可穿戴電子設(shè)備，所述可穿戴電子設(shè)備從上述的自充電系統(tǒng)獲得電量。

本發(fā)明的方案，可以利用柔性電紡絲網(wǎng)狀膜的制備方法制備出柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)、柔性固態(tài)超級(jí)電容器和自充電系統(tǒng)的組成成分，包括聚合物纖維網(wǎng)狀膜和碳纖維網(wǎng)狀膜。利用該方法制備出的這些組成成分含雜質(zhì)少、穩(wěn)定無(wú)污染，且在制備柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)、柔性固態(tài)超級(jí)電容器和組裝自充電系統(tǒng)的過(guò)程無(wú)需任何模板和復(fù)雜的后處理步驟。

本發(fā)明的柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)可用于收集各種機(jī)械能，并將該機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。該柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)可彎曲和伸直，其柔性特性拓展了應(yīng)用領(lǐng)域，可作為自充電系統(tǒng)的組成部分，并由該自充電系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)多種便攜式可穿戴電子設(shè)備，滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求。

此外，本發(fā)明的柔性電紡絲網(wǎng)狀膜從制備到應(yīng)用的過(guò)程對(duì)設(shè)備要求不高，成本低。摩擦納米發(fā)電機(jī)和固態(tài)超級(jí)電容器工作機(jī)理簡(jiǎn)單，工作過(guò)程無(wú)危險(xiǎn)，效率高，工業(yè)化推廣性強(qiáng)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

根據(jù)下文結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施例的詳細(xì)描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)更加明了本發(fā)明的上述以及其他目的、優(yōu)點(diǎn)和特征。

附圖說(shuō)明

后文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細(xì)描述本發(fā)明的一些具體實(shí)施例。附圖中相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示了相同或類似的部件或部分。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，這些附圖未必是按比例繪制的。附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的聚合物纖維網(wǎng)狀膜和碳纖維網(wǎng)狀膜的制備方法的流程示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的聚合物纖維網(wǎng)狀膜和碳纖維網(wǎng)狀膜的制備過(guò)程示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的纖維網(wǎng)狀膜的掃描電子顯微鏡圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的聚合物纖維網(wǎng)狀膜的掃描電子顯微鏡圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的碳纖維網(wǎng)狀膜的掃描電子顯微鏡圖；

圖6是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于柔性電紡絲網(wǎng)狀膜的柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的單個(gè)柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)的在不同運(yùn)動(dòng)頻率下開(kāi)路電壓、短路電流以及短路電量的輸出圖；

圖8是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于柔性電紡絲網(wǎng)狀膜的柔性固態(tài)超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的單個(gè)固態(tài)超級(jí)電容器在不同掃描速率下的循環(huán)伏安曲線；

圖10是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于柔性電紡絲網(wǎng)狀膜的自充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的三個(gè)摩擦納米發(fā)電機(jī)并聯(lián)整體在不同運(yùn)動(dòng)頻率下整流后的電流輸出；

圖12是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的三個(gè)固態(tài)超級(jí)電容器串聯(lián)整體在不同電流下的恒流充放電曲線；

圖13是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的自充電系統(tǒng)收集5Hz頻率下的機(jī)械能并儲(chǔ)存的充電曲線，以及利用該系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)小型電子表的放電曲線。

具體實(shí)施方式

圖1和圖2分別示出了聚合物纖維網(wǎng)狀膜120和碳纖維網(wǎng)狀膜130的制備方法的流程示意圖和制備過(guò)程示意圖。如圖1和圖2所示，本發(fā)明的柔性電紡絲網(wǎng)狀膜的制備方法，包括如下步驟：

S100、將預(yù)定量的非導(dǎo)電聚合物分散到溶劑中，以獲得質(zhì)量濃度為8-15％的聚合物溶液；

S200、將該聚合物溶液加入到帶有噴射口的容器中，利用注射泵控制注射速度為0.6-1.2mL/h，并在噴射口和接地接收端之間加12-18kV的電壓，以使得該聚合物溶液在電壓靜電作用下從該噴射口噴出而得到拉伸，并伴隨著該溶劑的揮發(fā)而固化，以在該接地接收端形成纖維網(wǎng)狀膜110；

S300、將該纖維網(wǎng)狀膜110在空氣氣氛中進(jìn)行預(yù)氧化處理，以獲得聚合物纖維網(wǎng)狀膜120；和

S400、將該聚合物纖維網(wǎng)狀膜120在惰性氣氛中進(jìn)行高溫碳化處理，以獲得碳纖維網(wǎng)狀膜130。

在一個(gè)實(shí)施例中，步驟S100具體為將質(zhì)量比為1:9的聚丙烯腈(PAN)和二甲基甲酰胺(DMF)在常溫下進(jìn)行混合，并攪拌12h，獲得混合均勻的聚合物溶液。步驟S200具體為利用5mL針筒吸取一定量的聚合物溶液，配用21號(hào)針頭，針頭即噴射口，并將其設(shè)置在注射泵處，利用注射泵控制注射速度為0.8mL/h，調(diào)整針頭和接地的接地接收端之間的距離為10cm，并在其兩端加15V的電壓，其中紡絲噴射溶液為2mL，以使得該聚合物溶液在電壓靜電作用下從針頭噴出而得到拉伸，并伴隨著溶劑的揮發(fā)而固化，隨后在接地接收端收集得到纖維，紡絲2h后，在接地接收端獲得PAN纖維網(wǎng)狀膜110。圖3示出了本發(fā)明實(shí)施例的PAN纖維網(wǎng)狀膜110的掃描電子顯微鏡圖。由圖3看出，PAN纖維網(wǎng)狀膜110的直徑大約為200nm。為了使得PAN纖維網(wǎng)狀膜110處于穩(wěn)定狀態(tài)，步驟S300具體為將PAN纖維網(wǎng)狀膜110置入馬弗爐中進(jìn)行預(yù)氧化處理，控制溫度為240℃，處理時(shí)間為2h，以獲得聚合物纖維網(wǎng)狀膜120。圖4示出了本發(fā)明實(shí)施例的聚合物纖維網(wǎng)狀膜120的掃描電子顯微鏡圖。為了增強(qiáng)聚合物纖維網(wǎng)狀膜120的導(dǎo)電性，步驟S400具體為將步驟S300獲得的聚合物纖維網(wǎng)狀膜120置于管式爐中，并在氬氣氣氛下進(jìn)行碳化處理，控制升溫速率為5℃/min，升溫至800℃，獲得碳纖維網(wǎng)狀膜130。圖5示出了本發(fā)明實(shí)施例的碳纖維網(wǎng)狀膜130的掃描電子顯微鏡圖。

在另一實(shí)施例中，與上述實(shí)施例的區(qū)別在于，步驟S100中將質(zhì)量比為1:8的聚乙烯吡絡(luò)烷酮(PVP)和二甲基甲酰胺(DMF)在常溫下進(jìn)行混合，并攪拌13h，獲得混合均勻的聚合物溶液。步驟S200中，利用注射泵控制注射速度為1mL/h，調(diào)整針頭和接地的接地接收端之間的距離為15cm，并在其兩端加18V的電壓，在接地接收端獲得PVP纖維網(wǎng)狀膜110。步驟S300中，控制溫度為200℃，處理時(shí)間為3h，以獲得聚合物纖維網(wǎng)狀膜120。步驟S400中，控制升溫速率為3℃/min，升溫至600℃，獲得碳纖維網(wǎng)狀膜130。在其他實(shí)施例中，步驟S100中，聚合物可以選自聚甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰亞胺、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚雙苯酚碳酸酯和聚氯乙烯中的一種或多種的組合。步驟S200中，利用注射泵控制注射速度為0.6-1.2mL/h中的任一速度，調(diào)整針頭和接地的接地接收端之間的距離為10-20cm中的任一數(shù)值，并在其兩端加12-18V中任一電壓，在接地接收端獲得纖維網(wǎng)狀膜110。步驟S300中，控制溫度為200-280℃中任一溫度，處理時(shí)間為1-5h，以獲得聚合物纖維網(wǎng)狀膜120。步驟S400中，控制升溫速率為1-10℃/min，升溫至600-900℃中任一溫度，獲得碳纖維網(wǎng)狀膜130。

按照上述方法制備得到的聚合物纖維網(wǎng)狀膜120導(dǎo)電性較差，制備得到的碳纖維網(wǎng)狀膜130具有良好的導(dǎo)電性。利用該方法制備出的這些組成成分含雜質(zhì)少且穩(wěn)定無(wú)污染。此外，柔性電紡絲網(wǎng)狀膜的制備過(guò)程對(duì)設(shè)備要求不高且成本低，能夠大規(guī)模生產(chǎn)。

圖6示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于柔性電紡絲網(wǎng)狀膜的柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)200的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明的基于柔性電紡絲網(wǎng)狀膜的柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)200一般性可以包括兩層摩擦層和兩層導(dǎo)電層230，其中，兩層摩擦層可以在外界作用力下發(fā)生相對(duì)位移，并通過(guò)該兩層導(dǎo)電層230向外電路輸出電信號(hào)。本發(fā)明中將利用上述制備方法制備出的聚合物纖維網(wǎng)狀膜120和碳纖維網(wǎng)狀膜130應(yīng)用于摩擦納米發(fā)電機(jī)。由于碳纖維網(wǎng)狀膜130具有良好的導(dǎo)電性，而聚合物纖維網(wǎng)狀膜120的導(dǎo)電性較差。因此，如圖6所示，本發(fā)明的柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)200包括三層結(jié)構(gòu)，分別是第一碳纖維網(wǎng)狀膜層210、第一聚合物纖維網(wǎng)狀膜層220和導(dǎo)電層230。其中，第一碳纖維網(wǎng)狀膜層210既作為摩擦層，又作為導(dǎo)電層230。第一聚合物纖維網(wǎng)狀膜層220作為另一摩擦層。該三層結(jié)構(gòu)的具體構(gòu)造和相互之間的連接關(guān)系為：該第一聚合物纖維網(wǎng)狀膜層220的上表面與該第一碳纖維網(wǎng)狀膜層210的下表面相對(duì)設(shè)置或者該第一聚合物纖維網(wǎng)狀膜層220的下表面與該第一碳纖維網(wǎng)狀膜層210的上表面相對(duì)設(shè)置。該導(dǎo)電層230形成在該第一聚合物纖維網(wǎng)狀膜層220的上表面或者下表面。其中，該第一碳纖維網(wǎng)狀膜層210和該第一聚合物纖維網(wǎng)狀膜層220構(gòu)造成在該摩擦納米發(fā)電機(jī)受到外力作用時(shí)會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，并通過(guò)該第一碳纖維網(wǎng)狀膜層210和該導(dǎo)電層230向外電路輸出電信號(hào)。

在圖6所示的實(shí)施例中，該第一碳纖維網(wǎng)狀膜層210造成第一拱形狀，該第一聚合物纖維網(wǎng)狀膜層220構(gòu)造成與該第一碳纖維網(wǎng)狀膜層210的第一拱形狀相對(duì)應(yīng)的第二拱形狀。其中，在該摩擦納米發(fā)電機(jī)受到外力作用時(shí)，該第一碳纖維網(wǎng)狀膜層210和該第一聚合物纖維網(wǎng)狀膜層220會(huì)從彎曲狀態(tài)變?yōu)樯鞆垹顟B(tài)，以使得該第一碳纖維網(wǎng)狀膜層210和該第一聚合物纖維網(wǎng)狀膜層220之間發(fā)生相對(duì)位移，以輸出電信號(hào)。在該摩擦納米發(fā)電機(jī)受到的該外力釋放時(shí)，該第一碳纖維網(wǎng)狀膜層210和該第一聚合物纖維網(wǎng)狀膜層220會(huì)從伸張狀態(tài)變?yōu)閺澢鸂顟B(tài)，以使得該第一碳纖維網(wǎng)狀膜層210和該第一聚合物纖維網(wǎng)狀膜層220之間發(fā)生相對(duì)位移，以輸出相反的電信號(hào)。其中，電極貼附于聚合物纖維網(wǎng)狀膜120層的表面，且與該聚合物纖維網(wǎng)狀膜120層的構(gòu)造基本保持一致。在該實(shí)施例中，可以將另一第一碳纖維網(wǎng)狀膜層210作為電極層。

柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)200輸出的電信號(hào)與摩擦層的面積有一定的關(guān)系。圖7示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的單個(gè)柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)200的在不同運(yùn)動(dòng)頻率下開(kāi)路電壓、短路電流以及短路電量的輸出圖。在圖7所示的實(shí)施例中，柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)200的摩擦層面積為2×2cm，其不同運(yùn)動(dòng)頻率下開(kāi)路電壓、短路電流以及短路電量的輸出值如圖7所示。由圖7中可知，單個(gè)摩擦納米發(fā)電機(jī)的開(kāi)路電壓輸出在不同頻率下保持在91V；其輸出的短路電流隨著頻率的增大而增大，當(dāng)頻率為2Hz時(shí)，短路電流的峰值為2μA，當(dāng)頻率增大到8Hz時(shí)，短路電流的峰值可以達(dá)到4.8μA；其輸出的短路電量在不同頻率下也幾乎不變，保持在26nC左右。

圖8示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于柔性電紡絲網(wǎng)狀膜的柔性固態(tài)超級(jí)電容器300的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明的基于柔性電紡絲網(wǎng)狀膜的柔性固態(tài)超級(jí)電容器300一般性隔膜、設(shè)置在隔膜兩側(cè)的兩層活性材料層和分別設(shè)置在兩層活性材料層外側(cè)的兩層電極層。本發(fā)明中將利用上述制備方法制備出的聚合物纖維網(wǎng)狀膜120和碳纖維網(wǎng)狀膜130應(yīng)用于柔性固態(tài)超級(jí)電容器300。由于碳纖維網(wǎng)狀膜130具有良好的導(dǎo)電性，而聚合物纖維網(wǎng)狀膜120的導(dǎo)電性較差。因此，如圖8所示，本發(fā)明的柔性固態(tài)超級(jí)電容器300包括三層結(jié)構(gòu)，第二聚合物纖維網(wǎng)狀膜層310和形成在該第二聚合物纖維網(wǎng)狀膜層310兩側(cè)的兩層第二碳纖維網(wǎng)狀膜層320。其中，兩層第二碳纖維網(wǎng)狀膜層320中的其中一層第二碳纖維網(wǎng)狀膜層320作為設(shè)置在第二聚合物纖維網(wǎng)狀膜層310同一側(cè)的活性材料層和相應(yīng)的電極層。另一層第二碳纖維網(wǎng)狀膜層320作為設(shè)置在第二聚合物纖維網(wǎng)狀膜層310另一側(cè)的活性材料層和相應(yīng)的電極層。該三層結(jié)構(gòu)相互平行設(shè)置，形成平行板固態(tài)超級(jí)電容器。

圖9示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的單個(gè)固態(tài)超級(jí)電容器在不同掃描速率下的循環(huán)伏安曲線。在圖9所示的實(shí)施例中，該固態(tài)超級(jí)電容器所采用的固態(tài)電解液為KOH/PVA凝膠(5g KOH和5g PVA溶于50mL水)，隔膜為聚合物纖維網(wǎng)狀膜120，電極和活性物質(zhì)同為碳纖維網(wǎng)狀膜130，其中，活性物質(zhì)的質(zhì)量決定了超級(jí)電容器的電容，因此，在本實(shí)施例中單極活性物質(zhì)的質(zhì)量為0.1mg。單個(gè)固態(tài)超級(jí)電容器的輸出結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出，對(duì)于該固態(tài)超級(jí)電容器的循環(huán)伏安曲線在較慢掃速的條件下，循環(huán)伏安曲線接近矩形，表現(xiàn)出良好的電容特性。隨著掃速的增加，循環(huán)伏安曲線逐漸偏離矩形，表現(xiàn)出較大的電阻特性。

圖10示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于柔性電紡絲網(wǎng)狀膜的自充電系統(tǒng)400的結(jié)構(gòu)示意圖。該自充電系統(tǒng)400一般性可以包括上述的柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)200、上述的柔性固態(tài)超級(jí)電容器300和將兩者連接起來(lái)的整流橋。該自充電系統(tǒng)400從制備到應(yīng)用，僅需按照下述三個(gè)步驟完成即可。步驟一、利用電紡絲法制備聚合物纖維網(wǎng)狀膜120和碳纖維網(wǎng)狀膜130。步驟二、利用步驟一獲得的聚合物纖維網(wǎng)狀膜120和碳纖維網(wǎng)狀膜130組裝形成柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)200和柔性固態(tài)超級(jí)電容器300，并測(cè)試其電輸出。步驟三、根據(jù)單個(gè)器件的性能輸出，通過(guò)串并聯(lián)電路管理使得兩種器件的輸出相互匹配，從而實(shí)現(xiàn)自充電系統(tǒng)400的組裝。其中，步驟一和步驟二在前面部分已經(jīng)詳細(xì)介紹，此處不再贅述。

在上述步驟三中，經(jīng)過(guò)步驟二的測(cè)試，要將兩種器件組裝成可工作的自充電系統(tǒng)400，需要進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和管理。在本發(fā)明實(shí)施例中，根據(jù)摩擦納米發(fā)電機(jī)高電壓低電流的輸出特性，將三個(gè)摩擦納米發(fā)電機(jī)并聯(lián)作為系統(tǒng)中的第一部分，隨后整流橋?qū)⒔涣麟娸敵鲛D(zhuǎn)為直流電輸出。圖11示出了整流后的三個(gè)摩擦納米發(fā)電機(jī)并聯(lián)的電流輸出。由圖11可知，其電流依舊隨著運(yùn)動(dòng)頻率的增大而增大，當(dāng)頻率為2Hz時(shí)，電流為4.7μA，當(dāng)頻率增大到8Hz時(shí)，電流為10.4μA。將三個(gè)固態(tài)超級(jí)電容器串聯(lián)作為系統(tǒng)中的第二部分，為了匹配摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出，串聯(lián)超級(jí)電容器可以減小整體的容量并且可以增大可調(diào)控電壓，使得自充電系統(tǒng)400可適用于更多的電子設(shè)備。圖12是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的三個(gè)固態(tài)超級(jí)電容器串聯(lián)整體在不同電流下的恒流充放電曲線。由圖12可知，當(dāng)輸入電流為5μA時(shí)，三個(gè)固態(tài)超級(jí)電容器串聯(lián)后的容量為1.37mF。完成自充電系統(tǒng)400的組裝之后，在本實(shí)施例中，在5Hz的運(yùn)動(dòng)頻率下測(cè)試本發(fā)明所述自充電系統(tǒng)400。圖13示出了自充電系統(tǒng)400的充電曲線以及利用該系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)便攜式電子表的放電曲線。

由于由柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)200和柔性固態(tài)超級(jí)電容器300組成的自充電系統(tǒng)400為柔性的，因此，本發(fā)明中的自充電系統(tǒng)400可以應(yīng)用于例如可穿戴顯示器、電子皮膚和分散式傳感器這樣的柔性集成的便攜式可穿戴設(shè)備中，以驅(qū)動(dòng)這些便攜式可穿戴設(shè)備。

本發(fā)明的方案，可以利用柔性電紡絲網(wǎng)狀膜的制備方法制備出柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)200、柔性固態(tài)超級(jí)電容器300和自充電系統(tǒng)400的組成成分，包括聚合物纖維網(wǎng)狀膜120和碳纖維網(wǎng)狀膜130。利用該方法制備出的這些組成成分含雜質(zhì)少、穩(wěn)定無(wú)污染，且在制備柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)200、柔性固態(tài)超級(jí)電容器300和組裝自充電系統(tǒng)400的過(guò)程無(wú)需任何模板和復(fù)雜的后處理步驟。

本發(fā)明的柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)200可用于收集各種機(jī)械能，并將該機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。該柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)200的工作狀態(tài)可彎曲和伸直，其柔性特性拓展了應(yīng)用領(lǐng)域，可作為自充電系統(tǒng)400的組成部分，并由該自充電系統(tǒng)400驅(qū)動(dòng)多種便攜式可穿戴電子設(shè)備，滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求。

此外，本發(fā)明的柔性電紡絲網(wǎng)狀膜從制備到應(yīng)用的過(guò)程對(duì)設(shè)備要求不高，成本低。摩擦納米發(fā)電機(jī)和固態(tài)超級(jí)電容器工作機(jī)理簡(jiǎn)單，工作過(guò)程無(wú)危險(xiǎn)，效率高，工業(yè)化推廣性強(qiáng)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

至此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，雖然本文已詳盡示出和描述了本發(fā)明的多個(gè)示例性實(shí)施例，但是，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下，仍可根據(jù)本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容直接確定或推導(dǎo)出符合本發(fā)明原理的許多其他變型或修改。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)被理解和認(rèn)定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。