基于织物的自充电能量设备及其制备方法与流程

本发明涉及可穿戴电子设备技术领域，尤其涉及一种基于织物的自充电能量设备及其制备方法。

背景技术：

在轻便、柔性衬底上加工可穿戴电子设备是满足如今便携式电子快速发展的一种有效可行方案，而对于这些可穿戴设备，如何有效地进行能量采集与供给是十分重要的部分。近年来，一些集成化的自驱动能量系统开始应用于可穿戴设备中，并展现出很稳定的性能。其中，通过摩擦发电机有效采集外界振动能并转换成电能，存储于超级电容器中，可以满足低功耗电子器件的供能需求，受到科研学者的广泛关注。

对于此类具有自充电能力的可穿戴能量单元，王中林教授研究组进行了大量的探索，提出了一种通过同时采集环境光中的太阳能与人体运动的机械能的能量采集器件，存储于柔性超级电容器中，并可以在多种环境下稳定工作的纤维状自驱动织物器件，展现出较好的性能。此外，相比于可充电电池和传统电容器等能量存储器件，超级电容器具有高功率密度、充放电速度快、循环稳定性强等优势，柔性的固态超级电容器可以满足可穿戴设备与柔性电子器件的需求，适用于各类柔性可穿戴设备中。

然而，现有的超级电容器通过太阳能电池供电，考虑到太阳能电池依赖于环境光源的影响，并不能实时采集能量，应用场合受到一定限制，另一方面，现有的超级电容器中的纤维状能量采集与存储器件制备工艺较为复杂，并不适用于大规模批量化生产。

技术实现要素：

本发明的实施例提供了一种基于织物的自充电能量设备及其制备方法，以实现通用的同时适用于能量采集与能量存储的自充电能量设备。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于织物的自充电能量设备，包括：柔性电极、固态电解质和柔性隔膜，在所述柔性隔膜的两侧覆盖所述固态电解质，将两侧覆盖固态电解质的柔性隔膜夹于两片柔性织物电极中间，所述固态电解质与所述柔性织物电极接触，得到柔性超级电容器。

进一步地，将柔性织物电极与所述柔性超级电容器贴附于衣物表面，并且所述柔性织物电极与所述柔性超级电容器通过整流桥连接。

进一步地，所述柔性电极为柔性织物附着多壁碳纳米管，所述固态电解质为凝胶聚合物，所述柔性隔膜为柔性半透膜材料。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于织物的自充电能量设备的制备方法，包括：

步骤1、通过称量将碳纳米管与表面活性剂十二烷基苯磺酸钠混合，并加入到去离子水中，所述碳纳米管与所述表面活性剂十二烷基苯磺酸钠溶解在去离子水中，得到碳纳米管溶液；

步骤2、通过滴加烘干的方式将所述碳纳米管溶液滴在柔性织物表面，并进行烘干操作，多次滴加烘干操作后至柔性织物表面的碳纳米管溶液浓度饱和，作为柔性织物电极；

步骤3、通过磁力搅拌的方法将凝胶聚合物加入到去离子水中，至溶液透明，得到凝胶聚合物溶液，将所述凝胶聚合物溶液作为固态电解质；

步骤4、将柔性隔膜浸入所述固态电解质中，设定放置时间，使柔性隔膜两侧覆盖一层固态电解质；

步骤5、通过应力按压的方式，将柔性隔膜夹于两片柔性织物电极中间，得到超级电容器；

步骤6、将所述超级电容器置于烘箱中，除去超级电容器中残留的水分子后，将超级电容器贴附于衣物表面，得到可穿戴式柔性超级电容器；

将所述柔性织物电极缝织在衣物表面，得到单表面摩擦发电机；

将所述单表面摩擦发电机与所述可穿戴式柔性固态超级电容器通过整流桥集成连接，得到基于织物的自充电能量设备。

进一步地，所述的步骤1还包括：

通过水浴超声的方法，使所述碳纳米管与所述表面活性剂十二烷基苯磺酸钠接触，溶解在去离子水中，得到碳纳米管溶液。

进一步地，所述水浴超声中的超声温度为常温，超声时间为4-6小时

进一步地，所述步骤1中的所述碳纳米管与所述表面活性剂十二烷基苯磺酸钠的质量各为30-150mg，所述去离子水的体积为30-150ml。

进一步地，所述步骤2中的柔性织物的面积大小为0.01-100cm²，单次烘干温度为80℃，单次烘干时间为0.5小时。

进一步地，所述步骤6中的烘箱的烘干温度为45℃，烘干时间为12小时。

进一步地，所述步骤3中的凝胶聚合物包括聚乙烯醇与磷酸、聚乙烯醇与硫酸、或者聚乙烯醇与氯化锂的聚合物。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的基于织物的自充电能量设备，采用通用的柔性织物电极，易于贴附于各类衣物表面，可以同时应用于能量采集与能量存储器件中，制备工艺简单、集成度高。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于织物的自充电能量设备的结构示意图。

图2为本发明的柔性织物电极扫描电镜照片。

图3为本发明的单表面摩擦发电机的输出电压波形。

图4为本发明的自充电能量设备的充电波形。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

本发明实施例设计了一种通用的可穿戴式电极，同时适用于能量采集与能量存储器件，通过收集人体各种运动形式的能量，将其高效存储起来，为各类可穿戴设备直接供能，实现基于织物的自充电能量设备的目标。

本发明提供了一种基于织物的自充电能量设备，该装置包括：柔性电极、固态电解质和柔性隔膜。所述柔性电极为柔性织物附着多壁碳纳米管(carbon nanotube，CNT)或其他具有柔性特质的电极；所述固态电解质为凝胶聚合物，包括聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)与磷酸(H₃PO₄)、硫酸(H₂SO₄)或氯化锂(LiCl)等的聚合物；所述柔性隔膜为柔性半透膜材料，如商用NKK TF44系列隔膜。

本发明还提供了一种基于织物的自充电能量设备的制造方法，包括以下步骤：

步骤1)、通过称量将CNT与表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(sodium dodecyl benzene sulfonate,SDBS)混合加入去离子水(deionized water,DI)中；

CNT与SDBS的质量可以各为30-150mg，DI的体积为30-150ml。

步骤2)、通过水浴超声的方法，使CNT与SDBS充分接触，完全溶解在DI中，得到碳纳米管溶液(CNT ink)；

其中，超声温度为常温，超声时间为4-6小时。

步骤3)、通过滴加烘干的方式，将CNT ink滴在柔性织物表面，并进行烘干操作，多次滴加烘干后至柔性织物的CNT浓度完全饱和，作为柔性织物电极；

柔性织物的面积大小为0.01-100cm²，单次烘干温度为80℃，单次烘干时间为0.5小时。

步骤4)、通过磁力搅拌的方法，将PVA、H₃PO₄加入DI中，磁力辅助下高速搅拌，至溶液清澈透明，得到凝胶聚合物，作为固态电解质；

步骤5)、将柔性隔膜浸入PVA/H₃PO₄固态电解质中，放置五分钟，使两者充分接触，柔性隔膜两侧均匀覆盖一层固态电解质；

步骤6)、通过应力按压的方式，将柔性隔膜夹于两片柔性织物电极中间，施加一定的应力，使三者充分接触，得到三明治结构的超级电容器；

步骤7)、通过恒温烘干的方式，将超级电容器置于烘箱中，除去器件中残留的水分子，贴附于普通衣物表面，得到可穿戴式柔性超级电容器；

其中，烘干温度为45℃，烘干时间为12小时。

步骤8)、将制得的柔性织物电极缝织在普通衣物表面，得到单表面摩擦发电机；

步骤9)、将制得的单表面摩擦发电机与可穿戴式柔性固态超级电容器通过整流桥集成连接，得到基于织物的自充电能量服。

以上所述制备步骤，其工艺顺序并非固定不变，根据实际需要可调整工艺顺序或删减工艺步骤。

实施例二

参照图1，图1为本发明基于织物的自充电能量设备的结构示意图，其结构包括：柔性织物电极1，柔性织物电极2，PVA/H₃PO₄固态电解质3，柔性隔膜4，PVA/H₃PO₄固态电解质5，柔性织物电极6。参照图2，图2为本发明的柔性织物电极的扫描电镜照片。参照图3，图3为本发明的单表面摩擦发电机的输出电压波形。参照图4，图4为本发明的自充电能量设备的充电波形。则图1所示装置的制备步骤如下：

步骤1：通过称量方式得到CNT与SDBS粉末，将二者混合均匀加入DI中；

步骤2：通过水浴超声的方法，将得到的溶液常温下超声4小时，使CNT与SDBS充分接触，并完全溶解于DI中，得到分散均匀的CNT ink；

步骤3：利用滴加烘干的工艺，将CNT ink滴涂在柔性织物表面，完全渗透后烘干，重复滴加烘干多次后至柔性织物的CNT浓度完全饱和，作为柔性电极1，2，6；

步骤4：通过磁力搅拌的方法，得到清澈透明的PVA/H₃PO₄固态电解质，将柔性隔膜4浸入，放置五分钟使其与电解质充分接触，两侧均匀覆盖固态电解质3，5；

步骤5：通过按压贴合的方式，将两侧覆盖固态电解质3，5的柔性隔膜4夹于两片柔性织物电极2，6中间，充分接触，得到三明治结构的柔性超级电容器，置于恒温烘箱中，除去器件中残留的水分子，得到三明治结构的柔性超级电容器；

步骤6：将柔性织物电极1与柔性超级电容器贴附于衣物表面，通过整流桥连接，得到基于织物的自充电能量设备。

图4为本发明的自充电能量设备的充电波形，参照图4，本发明实施例的自充电能量设备在人体普通跑步的过程中，在6分钟内可以将柔性超级电容器充电至100mV。

综上所述，本发明实施例提供的基于织物的自充电能量设备具有如下的优点：

1、本发明提出的基于织物的自充电能量设备，采用通用的柔性织物电极，易于贴附于各类衣物表面，可以同时应用于能量采集与能量存储器件中，制备工艺简单、集成度高。

2、本发明提出的基于织物的自充电能量设备与其他能量单元相比，不受外界环境的影响，直接采集人体各种形式的运动能，实现了外界机械能到电能的高效采集与存储。

3、本发明提出的制造方法均采用实验室基本工艺加工制备，不涉及高成本加工工艺，具有成本低的特点，加工制备方法简单，具有可大规模批量化生产的可能性。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。