纳米发电机专利技术综述

纳米发电机专利技术综述

发表时间：2018-06-25T16:39:00.157Z 来源：《电力设备》2018年第4期作者：陈小玲胡洋

[导读] 摘要：纳米发电机收集能量种类繁多，能够收集空气流动、水体流动和人体活动等在内的多种能量，具有广阔的应用前景。

（国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心天津市 300300）

摘要：纳米发电机收集能量种类繁多，能够收集空气流动、水体流动和人体活动等在内的多种能量，具有广阔的应用前景。比如，利用纳米发电机制备的传感器阵列能够准确定位和检测压力；用来检测人流密度；在汽车上车轮上安装纳米发电机能够将汽车运动的动能转化为电能；在人的鞋底安装纳米发电机，能够实现一边走路，一边产生电能；基于人体的纳米发电机能够检测脉搏震动，实现健康检测等等。纳米发电机体积小、质量轻、可应用区域范围大，具有很大的发展潜力。

关键词：纳米；摩擦

一、专利技术现状分析

1、压电纳米发电机

压电纳米发电机是以压电效应为工作原理，由压电材料和导电电极构成的三明治结构器件。压电效应是指当压电材料表面受到某个方向的作用力变形时，其内部会产生电极化现象，同时在材料的两个相对表面上分别产生正负电荷，当施加的作用力撤去以后，压电材料又会恢复到不带电状态。

国家纳米科学中心于2013年5月2日申请了一篇关于压电纳米发电机的专利（CN103780143A），本发明压电纳米发电机的一种典型结构，包括：下电极层 11、置于下电极层上表面的第一绝缘层12、置于第一绝缘层上表面的压电层10和压电层10之上的上电极层21，发电机的厚度小于 20μm。

其工作原理是：在外力的作用下，压电层中具有压电性质的材料因受到的应力发生变化而在上下表面之间产生电势差，驱动外电路负载中的电子通过与上电极层21和下电极层11相连的导线进行流动，从而产生相应的电信号。

其中，第一绝缘层12为发电机提供了一个防止电荷通过压电层10与下电极层11之间的界面进行传输和聚集的强大势垒，能够有效的提高发电机的电信号输出性能。基于同样的道理，还可以在上电极层21和压电层10之间再增设第二绝缘层22，并且该第二绝缘层22的上下表面分别与上电极层 21和压电层10贴合，具体参见上图2所示。

为了提高压电纳米发电机的输出性能，还可在压电层10中的压电材料上设置微纳结构，如上图所示，以增加器件在变形过程中的稳定性，该微纳结构可为纳米线、纳米颗粒、纳米棒、纳米管或纳米花，特别是由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列。为了使压电层能够更好的形成微纳结构，可在第一绝缘层12的上表面先制备一层种子层101，具体如上图3所示。

2、摩擦纳米发电机

摩擦纳米发电机是利用摩擦电效应和静电感应相结合原理收集环境机械能产生电能的器件。摩擦带电是日常生活中常见的现象，但是对于大多数器件，尤其是对电子器件而言，这种现象都是有害的。然而，摩擦电纳米发电机的问世却改变了这一现象。器件弯曲时，两种有机薄膜材料相互摩擦，分别在其表面产生两种极性相反的电荷，然后器件恢复原状，为了平衡两种材料上电荷产生的电场，上下两层铂金电极上会产生相应量的感应电荷，驱动了电子在外电路中流动，从而把机械能转化为电能。

（1）国家纳米科学中心于2014年1月24日申请了一篇关于摩擦纳米发电机的专利（JP2016-510205A），本发明摩擦纳米发电机的一种典型结构包括：第一摩擦层10、与第一摩擦层10下表面接触放置的第一导电元件11、第二摩擦层20、与第二摩擦层上表面接触放置的第二导电元件21，第一摩擦层10的上表面与第二摩擦层20的下表面相接触，在外力的作用下，第一摩擦层10与第二摩擦层20的接触界面能够发生相对滑动，同时接触面积发生变化，从而通过第一导电元件11和第二导电元件21向外电路输出电信号。

其工作原理是：在有外力F使第一摩擦层10的上表面与第二摩擦层20的下表面发生相对滑动摩擦时，由于第一摩擦层10的上表面材料与第二摩擦层20的下表面材料在摩擦电极序中存在差异，引发表面电荷转移（参见上图（a）），为了屏蔽由于错位而残留在第一摩擦层10和第二摩擦层20中表面电荷所形成的电场，第一导电元件11 中的自由电子就会通过外电路流到第二导电元件21上，从而产生一外电流（参见上图（b））；当反方向施加外力F时，第一摩擦层10或第二摩擦层20 的相对滑动错位消失，两导电元件恢复原状，第二导电元件21中的电子流回第一导电元件10，从而给出一相反方向的外电流，如此往复，形成交流脉冲电流。

（2）纳米新能源（唐山）有限责任公司于2014年4月4日申请了一篇关于摩擦纳米发电机的专利（CN104980058A），其包括外部封装层1和设置在外部封装层1内部的摩擦发电组件2。

摩擦发电组件2包括第一发电部21和第二发电部22，其中，第一发电部21和第二发电部22之间形成有气体空腔23，气体空腔23中填充有隔离第一发电部21和第二发电部22的气体，此外，第一发电部21和第二发电部22上还连接有输出引线5；摩擦发电组件2中的第一发电部21包括第一电极层211，第二发电部22包括层叠设置的第二电极层221和第二高分子聚合物绝缘层222。其中，第一电极层211和第二高分子聚合物绝缘层222相对设置形成摩擦界面，第一电极层211和第二电极层221为摩擦发电组件2的输出电极，与外电路相连。

其工作原理是：受到外部负载时，承受负载的部分处的摩擦发电组件2中的第一发电部21和第二发电部22接触，也即第一发电部21向下弯曲，第一发电部21中的第一电极层211与第二发电部22中的第二高分子聚合物绝缘层222表面相互摩擦产生静电荷，从而导致第一电极层211和第二电极层221之间出现电势差。由于第一电极层211和第二电极层221之间电势差的存在，自由电子将通过外电路由电势低的一侧流向电势高的一侧，从而在外电路中形成电流。当该摩擦发电组件2的各层恢复到原来状态时，这时形成在第一电极层211和第二电极层221之间的内电势消失，此时已平衡的第一电极层211和第二电极层221之间将再次产生反向的电势差，则自由电子通过外电路形成反向电流。通过反复摩擦和恢复，就可以在外电路中形成周期性的交流电信号。

四、发展趋势预测

纳米发电机的发明可以被视为从科学现象到实际应用发展过程中的一个重大里程碑，可取代传统的蓄电池技术作为多种便携电子器件和微纳器件的自驱动电源设备。比起当前的蓄电池技术，纳米发电机有多项优点，例如：(1)纳米发电机不需要使用重金属，使得其非常环保，不易造成环境污染；(2)纳米发电机可以由与生物体兼容的材料制备而成，嵌入到人体内也不会对健康造成伤害，可作为将来纳米生物器件的组成部分；(3)纳米发电机加工能耗非常低。