技术领域
[0001] 本
发明涉及一种发电机，尤其是涉及一种基于双电荷层的滑动式发电机及其发电方法。
背景技术
[0002] 随着世界经济的发展，人类对
能源的消耗日益增加，石油和
煤炭等化石能源的大量消耗，带来严重的能源短缺和环境问题。寻找绿色的、
可再生能源已经成为人类社会的共识。海洋中蕴含着丰富的
动能，能够提供持续的、清洁的能源供给。由于海洋中的
潮汐能、洋流能等动能的
能量密度低，利用传统的
水力发电机技术造成效率低下，无法实现大规模应用(Lin W Z.Catch wave power in floating nets.Nature,2017,542(7640):159-160)。空气中的摩擦纳米发电机，在湿度较大的情况下摩擦纳米发电机的输出急剧下降甚至会降为0，在海洋能的利用上有受到很大的限制(Guo H,Chen J,Tian L,et al.Airflow-Induced Triboelectric Nanogenerator as a Self-Powered Sensor for Detecting Humidity and Airflow Rate.ACS Applied Materials&Interfaces,2014,6(19):17184-
17189)。
发明内容
[0003] 本发明旨在提供能将溶液中的机械能转化为
电能的一种基于双电荷层的滑动式发电机及其发电方法。
[0004] 所述基于双电荷层的滑动式发电机设有第一部件和第二部件，所述第一部件由第一
薄膜层和第一导电层组成，所述第一导电层紧贴在第一薄膜层背后；所述第二部件由第二薄膜层和第二导电层组成，所述第二导电层紧贴在第二薄膜层背后；所述第一薄膜层能在工作环境中
吸附带电粒子或通过电离出带电基团而显正电性或负电性；所述第二薄膜层能在工作环境中吸附带电粒子或通过电离出带电基团而显正电性或负电性；所述带电第一薄膜层表面与带电第二薄膜层表面和溶液中的
电解质离子构成双电荷层，总体保持中性；在外力作用下，第一薄膜层和第二薄膜层发生相对滑动，导致重叠面积在滑动过程中发生变化，重叠部分间的液体和液体中的带电粒子被排开，双电荷层被破坏，此时第一薄膜层和第二薄膜层表面所带有的电荷无法被溶液中的异种电荷离子屏蔽，从而在第一导电层和第二导电层中感应出电势差，驱动
电子流动，在外
电路形成
电流。
[0005] 所述第一薄膜层、第二薄膜层、第一导电层和第二导电层的尺寸和形状相同或不同。
[0006] 在受外力作用时，第一薄膜层和第二薄膜层发生滑动，
接触面积发生变化。
[0007] 所述第一薄膜层和第二薄膜层的材料可相同或不同，第一薄膜层和第二薄膜层的材料可选自聚酰亚胺、聚对苯二
甲酸乙二醇酯、
氧化
石墨烯、
石墨烯、聚乙烯醇、
棉及其织物、聚二甲基
硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯、派瑞林、聚
己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、
液晶高分子
聚合物、聚
氨酯弹性体、二硫化钼、
石英、聚乙烯、聚氯乙烯、聚甲
醛、乙基
纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、聚氨酯弹性体、硬
橡胶、苯乙烯丙烯共聚物、聚丙烯腈、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚羊毛及其织物、苯胺甲醛
树脂、蚕丝及其织物、纸、人造纤维、聚
碳酸酯、丙烯腈、聚异丁烯、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯、氯丁橡胶、天然橡胶、丁苯橡胶等表面可带电或者不带电的材料中的至少一种。
[0008] 所述第一薄膜层、第二薄膜层、第一导电层和第二导电层可为软质材料或硬质材料。
[0009] 在溶液中所述第一薄膜层和第二薄膜层表面至少有一表面带有正电荷或负电荷。
[0010] 所述第一薄膜层和第二薄膜层在溶液中的表面电荷密度不同。
[0011] 所述第一部件和第二部件的尺寸形状可相同或不同。
[0012] 所述第一薄膜层和第二薄膜层的厚度可均为5nm～10cm，优选微米范围。
[0013] 所述第一导电层和第二层导电层的材料可选自金属、掺杂的
半导体、导电氧化物、导电有机物等导电材料。
[0014] 所述金属可选自
铝、
银、镍、
铜、铂、金、铬以及由上述金属形成的
合金；所述导电氧化物可为铟
锡氧化物等；所述导电有机物可选自聚吡咯、聚酞菁类化合物、聚苯胺或聚噻吩等中的一种。
[0015] 所述第一导电层和第二层导电层可分别与外电路电
信号输出端连接，通过
电信号输出端向外输送能量。
[0016] 所述工作环境可采用溶液，工作环境可包括海洋、河、湖泊等，其驱动力为潮汐、波浪等可提供动能的
水体能量或人体运动、
风、震动等机械能。
[0017] 所述基于双电荷层的滑动式发电方法，采用所述基于双电荷层的滑动式发电机，所述方法包括以下步骤：
[0018] 1)提供分隔放置的第一部件和第二部件；
[0019] 2)将第一薄膜层与第一导电层粘合，第二薄膜层与第二导电层粘合，所述第一导电层和第二导电层分别与外电路电信号输出端的两端电连接；
[0020] 3)使第一薄膜层与第二薄膜层交替接触，面积发生变化；
[0021] 4)通过外电路电信号输出端向外输出电信号。
[0022] 在步骤3)中，所述交替接触可通过改变第一部件与第二部件的重叠区域所造成的接触和分离实现。
[0023] 本发明利用水环境中的双电荷层进行发电，不仅体积小、
质量轻，而且通过电荷感应的方式将机械能转化为电能，对海洋能的开发具有重要意义。而且，该发电技术还可以将人体运动、环境中的震动等机械能转换为电能。
[0024] 本发明提供一种可用于在水下收集水体机械能的新型滑动式发电机，利用滑动排开双电荷层的方法将江河湖海中所蕴含的包括
波浪能、潮汐能等机械能转换为电能。本发明可以直接在水下工作，不受环境湿度的影响，对实现蓝色能源的开发具有重要意义。
[0025] 本发明具有以下突出技术效果：
[0026] 本发明最突出的优点在于发电机的工作性能不随环境湿度变化，可以完全处于液体环境中。而且，发电
机体积小、质量轻、成本低，高适用性使得很多小型水体的能量得以利用。
附图说明
[0027] 图1是本发明基于双电荷层的滑动式发电机
实施例的一种典型结构示意图。
[0028] 图2是图1所示基于双电荷层的滑动式发电机的工作原理示意图。
[0029] 图3是本发明基于双电荷层的滑动式发电机实施例的另一种典型结构示意图。
[0030] 图4是本发明基于双电荷层的滑动式发电机实施例的
电压输出图。
具体实施方式
[0031] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0032] 本发明所述“双电荷层”是指在两种不同物质的界面上，正负电荷分别排列成的
面层。在水下因表面基团的解离或从溶液中吸附某种电荷从而使其表面呈正或负电性，带电表面和溶液中的异种电荷离子构成双电荷层。例如，高分子材料聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate)表面存在羧基，羧基在水中电离从而使表面带有负电性，带有负电的表面吸附溶液中电性相反的阳离子形成双电荷层。
[0033] 图1为本发明基于双电荷层的滑动式发电机实施例的一种典型结构示意图：包括第一部件，由第一薄膜层101、第一导电层201组成；包括第二部件，由第二薄膜层102、第二导电层202组成。第一导电层201和第二导电层202分别附着在第一薄膜层101和第二薄膜层102背面，而且第一导电层201和第二导电层202分别与外电路电信号输出端30的两端连接。
将装置放在溶液20中，在外力作用下第一薄膜层101和第二薄膜层102的至少部分表面能够发生重叠、相对滑动和分离循环。
[0034] 为了方便说明。以下将结合图1的典型结构来描述本发明的原理、各部件的选择原则以及材料范围，但是很显然这些内容并不仅限于图1所示的实施例，而是可以用于本发明所公开的所有技术方案。
[0035] 本发明的发电机工作原理参见图2进行说明：将发电设备浸没在溶液20中，由于第一薄膜层101和第二薄膜层102的表面电荷密度不同，两者之间存在表面电荷量的差异(此处以第二薄膜层102的表面电荷量较高为例)，各自在表面吸附异种电荷离子形成双电荷层。在外力的作用下，第一薄膜层101和第二薄膜层102发生相对滑动，第一薄膜层101和第二薄膜层102重叠区域处的溶液和其中的离子被排开，此时第一薄膜层101和第二薄膜层102表面所带有的正或负电荷无法被溶液中的异种电荷离子屏蔽，由于第一薄膜层101的表面电荷量低于第二薄膜层102，两者在上下端所感应出的电势会存在差异，为平衡两者之间的电势差，电子会通过第一导电层201流向第二导电层202，从而在连接的外电路形成电流。
当外力撤销时，异种电荷离子重新吸附在第一薄膜层101和第二薄膜层102的表面，此时第一薄膜层101和第二薄膜层102表面的电荷将再次被溶液中的异种电荷离子屏蔽，上下端的电势平衡被破坏，将导致电子通过第一导电层201和第二导电层202向外电路反向输送电流，直到两者再次达到平衡。
[0036] 根据上述的发电原理可以看出，第一薄膜层101和第二薄膜层102之间的表面电荷量的差异是产生可输出电信号的关键，以下的表面带电或者不带电材料均可用于本发明的第一薄膜层101和第二薄膜层102中，聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、氧化石墨烯、石墨烯、二硫化钼、石英、聚乙烯、聚氯乙烯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基
纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、聚氨酯弹性体、硬橡胶、聚甲基
丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯、派瑞林、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、液晶高分子聚合物、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、人造纤维、棉及其织物、聚碳酸酯、丙烯腈、聚异丁烯、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、丁苯橡胶等。由于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的材料供参考，但是这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制因素，因为在本发明的启发下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的不同表面带电量的特性很容易选择其他类似的材料。
[0037] 通过实验发现，当第一薄膜层101和第二薄膜层102之间的表面电荷量的差异越大，发电机输出的电信号越强。所以根据上面所列出的材料并结合简单的对比实验，选择合适的材料作为第一薄膜层101和第二薄膜层102，以获得最佳的电信号输出性能。
[0038] 此外，也可以对第一薄膜层101和第二薄膜层102进行物理化学改性，进一步提高薄膜表面的电荷密度，从而提高转移的电荷量和发电机的输出功率。在第一薄膜层101或第二薄膜层102表面进行官能团的引入来使其带有正电荷或者负电荷。官能团的引入可以采用等离子表面改性和化学修饰等物理化学方法。例如，使氧气和氨气的混合气在一定功率下产生
等离子体，从而在薄膜层表面上引入氨基。用
次氯酸钠溶液对聚酰亚胺材料进行化学
刻蚀，从而在聚酰亚胺表面引入羧基。本领域的技术人员可以根据薄膜层的性质和表面化学键的种类，选择合适的处理方法，以达到本发明的目的，因此这样的
变形都在本发明的保护范围之内。
[0039] 本发明并不限定第一导电层201和第二导电层202必须是软质材料，也可以选择硬性材料，因为导电材料的硬度并不影响其导电效果。导电层通过
导线与外电路连接来输出发电机的电信号。
[0040] 本发明并不限定第一薄膜层101和第二薄膜层102必须是软质材料，也可以选择硬性材料，因为材料的硬度并不影响两者之间的接触排开效果。因此，本领域的技术人员可以根据实际情况来选择第一薄膜层101和第二薄膜层102的材料硬度。
[0041] 第一导电层201和第二导电层202作为发电机的两个
电极，所述电极的材料可为金属、导电氧化物、有机物导体等；所述金属可选自金、银、铂、铝、镍、铜、
钛、铬或硒；由金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬和硒等形成的合金；所述导电氧化物可选自氧化铟锡ITO等；所述有机物导体为导电高分子，导电高分子可选自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺、聚噻吩、聚苯胺与聚噻吩混合物等中的一种，具体导电层材料的选择不作为限定本发明保护范围的条件，第一导电层201和第二导电层202的材料可优选铜、金、银或铂等。
[0042] 本发明的基于双电荷层的滑动式发电机中，为保证电荷的产生效率，可以采用沉积的方法在第一薄膜层101表面上制备第一导电层201，在第二薄膜层102表面上制备第二导电层202，例如
电子束蒸发、等离子体溅射或蒸
镀等方法。此外，还可以将如铝箔之类的导电材料直接贴合在薄膜层上来充当导电层。
[0043] 当发电机结构需要一定的强度时，所述第一部件和第二部件均可添加衬底，衬底可以为硬性材料，也可以为柔性材料。优选采用不可变形的绝缘硬性材料，例如有机玻璃板材、聚乙烯板材、聚氯乙烯板材等。其厚度没有特别限制，可以根据强度需要自由选择。
[0044] 本发明发电机的最典型结构中，第一薄膜层101的下表面和第二薄膜层102的上表面保持相对接触。无论是否有外力施加其上，二者始终保持面接触。在外力作用下，第一薄膜层101的下表面和第二薄膜层102的上表面发生于与接触面相切方向的相对滑动。通过控制第一薄膜层101的下表面和第二薄膜层102的上表面的尺寸以及相对位移量，很容易实现在相对滑动的过程中使正对面积发生变化。
[0045] 本发明中提供的发电机，其中的溶液可以为纯净水、去离子水、极性液体、非极性液体或者其他溶液。只要液体中存在自由离子即可实现本发明的目标。
[0046] 图3给出本发明基于双电荷层的滑动式发电机实施例的另一种典型结构示意图。第一部件和第二部件不仅可以相互水平滑动，还可以旋转滑动。如图3所示的另一种实施方式，包括第一部件，由第一薄膜层101和第一导电层201组成；包括第二部件，由第二薄膜层
102和第二导电层202组成。第一导电层201和第二导电层202分别贴合在第一薄膜层101和第二薄膜层102背面，且第一导电层201和第二导电层202分别与外电路电信号输出端30的两端电连接。第一部件和第二部件的圆心通过弹性
转轴连接起来。在没有外力的情况下，第一部件和第二部件能够完全重叠，由此维持第一薄膜层和第二薄膜层表面的贴合。当有外力作用时，第一薄膜层和第二薄膜层发生相对转动，从而暴露在溶液中，形成双电荷层。此时弹性转轴发生弹性形变。当外力撤销后，由于弹性转轴的弹性又使第一部件和第二部件恢复到完全重叠状态，完成一个发电循环。
[0047] 上面给出了本发明所设计的多种发电机的典型结构，本领域的技术人员可以在这些结构的
基础上进行简单变形，从而获得不同工作环境下的发电机，但是这样的变形都是在本发明所公开的基本构思下完成的，都属于本发明所保护的范围。
[0048] 通过前面的描述，可以清楚地了解到本发明其实还公开了一种全新的发电方法，其特征在于使用本发明中公开的任何发电机，包括以下步骤：
[0049] (1)提供所述第一薄膜层和第二薄膜层；
[0050] (2)提供所述第一导电层和第二导电层；
[0051] (3)将所述第一导电层和第二导电层与外电路形成电导通连接；
[0052] (4)施加外力时所述第一薄膜层和第二薄膜层的至少部分表面之间形成至少一个重叠-分离过程；
[0053] (5)在步骤(4)的过程中，通过所述第一导电层和第二导电层向外电路输出电能/电信号；
[0054] 在步骤(4)中，所述第一薄膜层、第二薄膜层、第一导电层和第二导电层完全接触；施加的是周期性变化的持续外力。
[0055] 以下给出具体实施例。
[0056] 实施例1
[0057] 利用
激光切割两个长3cm×宽3cm×厚5mm的有机玻璃板，在相同的聚酰亚胺薄膜层的背面沉积一层Al作为导电层，并通过导线引出电信号，然后将其贴合在两个有机玻璃板上使聚酰亚胺表面露出，用PDMS胶在薄膜层和导电层的四周密封进行防水。将封装完毕的其中一片聚酰亚胺进行
表面处理，增大表面电荷密度。将装置浸没在溶液中，使两聚酰亚胺薄膜层表面相对，并通过外力控制两个聚酰亚胺表面的滑动接触和分离，检测电信号输出。图4给出本发明基于双电荷层的滑动式发电机实施例的电压输出图。
[0058] 实施例2
[0059] 利用激光切割两个直径为3cm的半圆有机玻璃板，在相同的PET薄膜层的背面沉积一层Ag作为导电层，并通过导线引出电信号。将其固定在上述两
块有机玻璃板上，进行密封防
水处理。将封装完毕的其中一个PET薄膜层进行表面处理，增大表面电荷密度。将装置浸没在溶液中，使两个PET薄膜层表面进行转动，可以检测到电信号输出。
[0060] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或
修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
