恒壓自充電能量供給設(shè)備及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種可利用環(huán)境中的機(jī)械能而持續(xù)提供恒壓輸出的恒壓自充電能量供給設(shè)備及其制造方法。該設(shè)備包括收集機(jī)械能的發(fā)電單元和用于能源儲(chǔ)存的電池單元。本發(fā)明提供的方法能夠?qū)蓚€(gè)單元通過共用一個(gè)基底而有機(jī)的融合為一個(gè)器件。發(fā)電單元產(chǎn)生的交流信號(hào)整流之后為器件內(nèi)部的電池單元進(jìn)行充電。儲(chǔ)存的電能由電池單元向外以直流恒壓的形式給電子設(shè)備供電。本發(fā)明的設(shè)備具有“持續(xù)供電”工作模式，即電能的儲(chǔ)存與對(duì)外供電同步進(jìn)行。本發(fā)明能夠采信環(huán)境機(jī)械能而持續(xù)不斷的進(jìn)行恒壓輸出，可作為給電子設(shè)備供電的獨(dú)立、便攜、體積小、重量輕、使用壽命長的電源。
【專利說明】恒壓自充電能量供給設(shè)備及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種能夠向外部提供能量的能量供給設(shè)備及制造該設(shè)備的方法，所述能量供給設(shè)備具體是指一種自充電的恒壓電源，特別是一種可收集和儲(chǔ)存機(jī)械能而給外部負(fù)載持續(xù)供電的恒壓自充電能量供給設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子信息工業(yè)的快速發(fā)展，具有更多功能和更高級(jí)人機(jī)交互的便攜式電子器件在不斷涌現(xiàn)，這對(duì)支撐它們工作的電源裝置提出了更高的要求。要能夠充分實(shí)現(xiàn)這些功能，必須要有能夠獨(dú)立工作，消耗自給和可持續(xù)不間斷提供恒壓輸出的可移動(dòng)新型電源。
[0003]在現(xiàn)有的能源科技中，環(huán)境能量轉(zhuǎn)化和能量儲(chǔ)存是最核心的兩類技術(shù)。但是，他們各自對(duì)于實(shí)現(xiàn)這種新型的電源都有著自身的局限和問題。對(duì)于環(huán)境能量轉(zhuǎn)化技術(shù)，基于此的器件能夠通過利用自然界中的能量(如太陽能、機(jī)械能、生物能等)來產(chǎn)生電流，可望給可移動(dòng)電子器件持續(xù)提供能量輸入。但是，這類器件的電輸出往往不可控、不穩(wěn)定并且很大程度受周圍環(huán)境能量波動(dòng)的影響，因此很難用來直接給電子器件或系統(tǒng)供電。
[0004]而作為能量儲(chǔ)存的元件，如電池等，雖然可以輸出一個(gè)穩(wěn)定電壓而直接作為電子器件的電源，但它們具有有限的壽命，無法持續(xù)驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備的工作，因此，必須每隔一段時(shí)間就要進(jìn)行再次充電或者更換電池。這一問題成為制約電池等的應(yīng)用的一個(gè)核心問題，無法實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的獨(dú)立長期運(yùn)行。目前的納米發(fā)電機(jī)也無法現(xiàn)解決這一問題，原因是現(xiàn)有的納米發(fā)電機(jī)都是作為一個(gè)獨(dú)立的電源來使用，當(dāng)電池需要充電時(shí)將其與納米發(fā)電機(jī)相連，充滿電后再繼續(xù)工作，這與普通的電池充電模式并無太大區(qū)別，同樣無法保證設(shè)備電源的長期連續(xù)供給。
[0005]因此，如果將這兩種技術(shù)類別各自的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)的結(jié)合起來，而實(shí)現(xiàn)一種新型自充電能源包，有望幫助我們解決這一問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006](一 )要解決的技術(shù)問題
[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有的能量供給設(shè)備不能無限期持續(xù)提供恒壓輸出，從而不能對(duì)電子設(shè)備的持續(xù)長期驅(qū)動(dòng)。
[0008]( 二 )技術(shù)方案
[0009]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種恒壓自充電能量供給設(shè)備，包括發(fā)電單元、全橋整流電路和電池單元，所述發(fā)電單元用于將外界機(jī)械能轉(zhuǎn)換為交流電信號(hào)，該交流電信號(hào)經(jīng)過所述全橋整流電路整流成直流電后給所述電池單元實(shí)時(shí)充電，所述發(fā)電單元包括至少一個(gè)基底，所述電池單元與所述發(fā)電單元共用一個(gè)基底。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述發(fā)電單元包括能夠相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第一部件和第二部件，所述第一部件包括依次緊密結(jié)合的第一基底、第一導(dǎo)電層和第一摩擦層，第二部件包括緊密結(jié)合的第二導(dǎo)電層和第二摩擦層；所述電池單元和所述發(fā)電單元的第一部件共用所述第一基底；所述第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層通過導(dǎo)線與所述全橋整流電路的輸入端相連；所述第一摩擦層與所述第二摩擦層的材料具有不同的摩擦電極序。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述第一部件與第二部件能夠相對(duì)發(fā)生縱向離合運(yùn)動(dòng)或者水平滑動(dòng)。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述發(fā)電單元的第一部件和第二部件為相對(duì)設(shè)置的拱形部件，并且二者的拱頂相互遠(yuǎn)離；所述第一部件和/或第二部件能夠在外力作用下發(fā)生彈性形變從而使所述第一摩擦層與所述第二摩擦層全部或部分表面接觸，并在撤去外力時(shí)恢復(fù)原狀。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述第二部件還包括第二基底，所述第二基底、第二導(dǎo)電層和第二摩擦層依次疊置；所述第一摩擦層與所述第二摩擦層相互緊密接觸；所述第一部件和第二部件能夠在所述第一摩擦層與第二摩擦層的接觸面上相互之間來回地滑動(dòng)。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述第一導(dǎo)電層、第一摩擦層、第二導(dǎo)電層和第二摩擦層均為周期性柵格狀。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述第一部件和第二部件是兩個(gè)同心轉(zhuǎn)盤，即第一轉(zhuǎn)盤和第二轉(zhuǎn)盤，所述兩個(gè)轉(zhuǎn)盤以中心對(duì)準(zhǔn)的方式相互貼合，第一轉(zhuǎn)盤和第二轉(zhuǎn)盤能繞其中心軸進(jìn)行相對(duì)地轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在其接觸面上能產(chǎn)生相對(duì)的滑動(dòng)。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述兩個(gè)摩擦層采用同樣的“周期扇區(qū)”的方式來設(shè)置，所謂“周期扇區(qū)”是指在轉(zhuǎn)盤上繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心分布的多個(gè)大小相同且間隔相等的扇形區(qū)域。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述第一摩擦層與第二摩擦層中的至少一個(gè)為絕緣體材料。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述電池單元由發(fā)電單元進(jìn)行充電的時(shí)候，同時(shí)向外部負(fù)載供電。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述電池單元包括一個(gè)用于封裝的封裝殼體，所述封裝殼體用于使其內(nèi)部與外部隔絕并且使內(nèi)部能夠容納并充滿電解液，在所述封裝殼體的內(nèi)部包括依次堆疊的正極、隔膜和負(fù)極；所述正極和負(fù)極均通過導(dǎo)線穿過所述封裝殼體連接至所述全橋整流器；所述電池單元與所述第一部件共用所述第一基底。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述正極和負(fù)極采用為柔性導(dǎo)電材料作為集流體，所述隔膜采用多孔高分子薄膜。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述柔性導(dǎo)電材料為碳布。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述正極的材料是含有Li的化合物，所述負(fù)極的材料為能夠通過反應(yīng)插入Li的物質(zhì)。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述封裝殼體通過聚二甲基硅氧烷與所述第一基底密封。
[0024]本發(fā)明的另一方面提出一種制造恒壓自充電能量供給設(shè)備的方法，用于制造如前所述的恒壓自充電能量供給設(shè)備，所述制造電池單元的方法包括:步驟S1:選擇高分子片狀材料作為電池單元的基底；步驟S2:利用柔性集流體和電極材料制備電池單元的正極和負(fù)極，使所述兩個(gè)電極均為柔性電極；步驟S3:將步驟S2中制備好的兩側(cè)電極材料與一個(gè)高分子隔膜按照正極、隔膜、負(fù)極的順序依次堆疊于所述基底的上表面，其中正極和負(fù)極的集流體分別引出導(dǎo)線；步驟S4:將一層高分子覆蓋薄膜覆蓋于所述正極、隔膜和負(fù)極組成的堆疊體上，然后用粘性物質(zhì)將所述高分子覆蓋薄膜的與所述基底接觸的邊緣部分緊密粘附固定于基底之上，同時(shí)用聚二甲基硅氧烷進(jìn)行密封，并留有一個(gè)供所述兩個(gè)電極的導(dǎo)線引出的開口 ；步驟S5:從所述開口處向所述腔體中注入電解液，封閉所述開口。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，在步驟S2中，選用柔性導(dǎo)電材料作為所述正極和負(fù)極的集流體，通過化學(xué)合成直接將活性材料長在該柔性集流體上，整體作為電極。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，在步驟S2中，選用柔性導(dǎo)電材料作為所述正極和電極的集流體，將電極活性材料與導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑混合，制成漿料，均勻涂布在所述柔性集流體上，再進(jìn)行烘干。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，在所述步驟S2中，所述正極的材料是含有Li的化合物，所述負(fù)極的材料為能夠通過反應(yīng)插入Li的物質(zhì)。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述活性材料具有納米結(jié)構(gòu)。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，在所述步驟S3中，所述隔膜的面積大于正極和負(fù)極的面積，使得兩側(cè)電極能夠被完全隔開，不發(fā)生物理接觸。
[0030]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，在所述步驟S3中，所述正極、隔膜和負(fù)極的尺寸均小于所述基底和覆蓋薄膜的尺寸，使它們可完全被基底和覆蓋薄膜形成的殼層包裹。
[0031]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，在所述步驟S4中，所述基底、正極、隔膜、負(fù)極和覆蓋薄膜均為呈矩形，所述覆蓋薄膜在與基底接觸的三個(gè)側(cè)面上固定。
[0032]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述步驟S4還包括對(duì)所述接觸側(cè)面進(jìn)行密封的步驟。
[0033]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，通過聚二甲基硅氧烷使對(duì)所述接觸側(cè)面進(jìn)行密封。
[0034]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述密封步驟還可以包括對(duì)基底整體進(jìn)行烘干的步驟。
[0035]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述步驟S5在非氧氣氛中進(jìn)行。
[0036](三)有益效果
[0037]本發(fā)明提供的恒壓自充電能量供給設(shè)備是一種可獨(dú)立持續(xù)驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備的便攜式恒壓電源，具有體積小、重量輕、便攜、工作壽命長的優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0038]圖1A和圖1B是本發(fā)明的恒壓自充電能量供給設(shè)備的結(jié)構(gòu)和原理示意圖；
[0039]圖2是本發(fā)明的恒壓自充電能量供給設(shè)備的電路圖；
[0040]圖3為本發(fā)明第一實(shí)施例的拱形自充電能源包的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041 ] 圖4A和圖4B為本發(fā)明第一實(shí)施例的作為電池單元的陰極在碳布上生長有TiO2納米線網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片；
[0042]圖5是根據(jù)第一實(shí)施例實(shí)施的一種典型器件的輸出電壓及電流圖；
[0043]圖6A和圖6B為本發(fā)明第二實(shí)施例的滑動(dòng)摩擦自充電能源包的器件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖7A和圖7B為本發(fā)明第三實(shí)施例的轉(zhuǎn)盤式摩擦自充電能源包的器件結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0045]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明將用于機(jī)械能轉(zhuǎn)化的發(fā)電單元和用于電能儲(chǔ)存的電池單元有機(jī)地集成到一個(gè)器件上，提出一種恒壓自充電能量供給設(shè)備。在外界機(jī)械運(yùn)動(dòng)的作用下，該恒壓自充電能量供給設(shè)備中的發(fā)電單元可以有效產(chǎn)生交流電信號(hào)，經(jīng)過全橋整流電路整流成直流電信號(hào)后，該直流電給電池單元實(shí)時(shí)充電，由此，由機(jī)械能產(chǎn)生的電能被轉(zhuǎn)化為化學(xué)能而同步儲(chǔ)存在電池單元中，使得電池單元可以利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)來達(dá)到充電。
[0046]為了實(shí)現(xiàn)這種集成，本發(fā)明提出的一種可行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是使發(fā)電單元和電池單元共用同一個(gè)基底(或支持基片)。換句話說，發(fā)電單元包括至少一個(gè)基底，所述電池單元集成在其中一個(gè)基底上。發(fā)電單元可選用摩擦電納米發(fā)電單元，電池單元可選用鋰離子電池單元，二者通過共同用的基底合二為一成為一個(gè)整體構(gòu)件?；谶@種設(shè)計(jì)，現(xiàn)有的任何摩擦電納米發(fā)電單元，如垂直接觸式和平行滑動(dòng)式，都可以用來和任意類別的電池單元進(jìn)行集成。
[0047]作為本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述恒壓自充電能量供給設(shè)備基于拱形結(jié)構(gòu)，拱形的摩擦電納米發(fā)電單元和拱形的柔性鋰離子電池單元相結(jié)合。該拱形結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)相對(duì)設(shè)置的拱形部件，拱形結(jié)構(gòu)是指向一側(cè)彎曲的片材結(jié)構(gòu)，彎曲的弧度的頂點(diǎn)稱為拱頂。
[0048]本發(fā)明的所述兩個(gè)相對(duì)設(shè)置的拱形部件的兩端相互抵觸并且其拱頂相互遠(yuǎn)離。兩個(gè)部件可由柔性材料制成，如高分子材料。由于發(fā)電單元I的兩個(gè)部件具有彈性，其能夠在外力作用下被壓平，并在撤去外力時(shí)恢復(fù)為拱形，該兩個(gè)部件通過導(dǎo)線與所述全橋整流電路的輸入端相連，由此可以將該外力轉(zhuǎn)換為兩個(gè)拱形部件的離合(接觸與分離)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。而這種機(jī)械運(yùn)動(dòng)能夠產(chǎn)生摩擦電荷，將其轉(zhuǎn)換為電能后可供輸出或給電池單元充電。
[0049]并且，其中一個(gè)部件的基底作為所述電池單元的封裝基底，從而使得摩擦電納米發(fā)電單元和電池單元結(jié)合在一起。并且，電池單元具有將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲(chǔ)存并對(duì)外部負(fù)載進(jìn)行供電的功能。針對(duì)不同的應(yīng)用目的，通過選取適合的發(fā)電單元類型和結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)對(duì)所處環(huán)境中機(jī)械能的有效收集利用，選取適合的電池單元的結(jié)構(gòu)和材料以輸出相應(yīng)的特征電壓，以滿足所要驅(qū)動(dòng)的負(fù)載的工作需要。
[0050]所述恒壓自充電能量供給設(shè)備可提供一種“能源包”工作模式。在該工作模式下，恒壓自充電能量供給設(shè)備用作一種同時(shí)充放電的“能源包”，所謂“能源包”是指一種可獨(dú)立持續(xù)工作的具有無限壽命的電源，電池單元由發(fā)電單元進(jìn)行充電的時(shí)候，同時(shí)向外部負(fù)載供電。即“能源包”儲(chǔ)存的能量在消耗的同時(shí)得到補(bǔ)充。由于電池單元的輸出電壓是由它所基于的電化學(xué)反應(yīng)的電極電勢差決定的，在很大范圍內(nèi)幾乎不受電池單元內(nèi)所存儲(chǔ)的電量的影響，因此，只要發(fā)電單元給電池單元提供的平均充電電流大致等于電池單元驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載所需的電流，電池單元內(nèi)所儲(chǔ)存的電量就不會(huì)發(fā)生太大波動(dòng)，電池單元就能夠在這種模式下向外持續(xù)提供一個(gè)恒壓輸出。在這種模式下，由于電池單元內(nèi)消耗的能量不斷得到所轉(zhuǎn)化的周圍機(jī)械能的補(bǔ)充，該能源包就可以獨(dú)立持續(xù)工作且具有無限壽命。
[0051]本發(fā)明的恒壓自充電能量供給設(shè)備的制造方法包括發(fā)電單元的制造工藝和電池單元的制造工藝，為了將發(fā)電單元和電池單元集成在一起，關(guān)鍵步驟在于將電池單元集成在發(fā)電單元的一個(gè)基底上，特別是，當(dāng)發(fā)電單元為彈性拱形結(jié)構(gòu)時(shí)，要求集成在其上的電池單元具有柔軟性。
[0052]下面結(jié)合附圖來具體說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和工作原理，以使本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標(biāo)記指示相同的部分。需注意的是，附圖中并未刻意按實(shí)際尺寸等比例縮放繪制，目的在于盡可能清晰地顯示本發(fā)明的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和原理。
[0053]圖1A和圖1B是本發(fā)明的恒壓自充電能量供給設(shè)備的結(jié)構(gòu)和原理示意圖。如圖1A所示，本發(fā)明所提供的可以同時(shí)收集和儲(chǔ)存機(jī)械能的恒壓自充電能量供給設(shè)備包括發(fā)電單元I和電池單元2，發(fā)電單元I包括兩個(gè)能夠相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第一部件和第二部件，第一部件包括依次緊密結(jié)合的第一基底10、第一導(dǎo)電層11和第一摩擦層13，第二部件包括緊密結(jié)合的第二導(dǎo)電層12和第二摩擦層14。其中，第一摩擦層13與第二摩擦層14的材料具有不同的摩擦電極序。
[0054]如圖1A所示，本發(fā)明的所述第一基底10設(shè)置在遠(yuǎn)離第二部件的一側(cè)，并且，在該第一基底10的未與第一導(dǎo)電層11結(jié)合的一側(cè)上設(shè)置所述電池單兀2。也可以說,所述電池單元2與所述第一部件共用了第一基底10。
[0055]繼續(xù)參照?qǐng)D1A，所述電池單元2包括一個(gè)用于封裝的封裝殼體29，所述封裝殼體29用于使其內(nèi)部與外部隔絕并且使內(nèi)部能夠容納并充滿電解液。在所述封裝殼體29的內(nèi)部包括依次堆疊的正極21、隔膜22和負(fù)極23。為了增加電池的整體柔性，正極21和負(fù)極23優(yōu)選柔性導(dǎo)電薄層(如碳布等)作為集流體，隔膜22采用多孔高分子薄膜。
[0056]所述發(fā)電單元I的第一導(dǎo)電層11和第二導(dǎo)電層12通過導(dǎo)線連接至一個(gè)全橋整流器3的兩個(gè)輸入端，所述全橋整流器對(duì)于從發(fā)電單元I輸入的電流進(jìn)行整流，該整流器3的兩個(gè)輸出端分別連接至所述電池單元2的正極21和負(fù)極23。所述正極21和負(fù)極23均通過導(dǎo)線穿過所述封裝殼體29連接至所述全橋整流器3。
[0057]在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，第二摩擦層14 一般為絕緣體，而第一摩擦層13既可以為絕緣體、也可以為半導(dǎo)體或者導(dǎo)體，兩個(gè)摩擦層優(yōu)先選取摩擦電極序相差較大的材料?？梢赃x自聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛樹脂、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素、纖維素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、再生纖維海綿、聚氨酯彈性體、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纖維、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚氨酯柔性海綿、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、酚醛樹脂、氯丁橡膠、丁二烯丙烯共聚物、天然橡膠、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸鹽，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚雙苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、派瑞林、玻璃半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體、非導(dǎo)電性氧化物、半導(dǎo)體氧化物和復(fù)雜氧化物、金屬、銦錫氧化物ΙΤ0、摻雜的半導(dǎo)體和導(dǎo)電有機(jī)物中的至少一種或幾種的組合。當(dāng)任意一側(cè)的摩擦層(第一摩擦層13或第二摩擦層14)為導(dǎo)體時(shí)，它可以同時(shí)也充當(dāng)導(dǎo)電層，從而省略所述第一導(dǎo)電層11或第二導(dǎo)電層12，作為發(fā)電單元I的電極，如圖1B所示。
[0058]在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，所述發(fā)電單元I可以是任意工作模式和結(jié)構(gòu)的摩擦發(fā)電單元，例如，所述第一部件與第二部件可以縱向離合運(yùn)動(dòng)，也可以水平滑動(dòng)。同樣，在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，所述電池單元也可以是任何類型和電極材料的可充電電池單元。例如，鎳氫電池、鎳鉻電池、鎳鐵電池、鉛酸電池等。
[0059]在周圍環(huán)境中機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)使下，所述第一摩擦層13和第二摩擦層14可以發(fā)生周期性相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而使得摩擦層表面上所帶的異號(hào)摩擦電荷周期性改變第一導(dǎo)電層11和第二導(dǎo)電層12 (第二導(dǎo)電層也可由第二摩擦層14充當(dāng))之間的感應(yīng)電勢差，驅(qū)動(dòng)外部電路產(chǎn)生交流電流。該交流輸出經(jīng)過整流器3整流后，變成直流電流，按照從正極流入從負(fù)極流出的方向輸入電池單元的正、負(fù)兩極，對(duì)電池單元進(jìn)行充電。
[0060]圖2是本發(fā)明的恒壓自充電能量供給設(shè)備的電路圖。如圖2所示，發(fā)電單元I經(jīng)由一個(gè)全橋整流器3與電池單元2連通，電池單元2同時(shí)與一個(gè)外部負(fù)載R連接。在整流器3與電池單元之間可設(shè)置一個(gè)第一開關(guān)SI，在電池單元2與外部負(fù)載R之間也可設(shè)置一個(gè)第二開關(guān)S2。當(dāng)所述第一開關(guān)SI閉合時(shí)，電池單元2與發(fā)電單元I構(gòu)成充電回路，當(dāng)所述第二開關(guān)S2閉合時(shí)，電池單元2與外部負(fù)載R構(gòu)成放電回路。當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)SI與第二開關(guān)S2都閉合時(shí)，構(gòu)成同時(shí)充放電回路。
[0061]將電池單元集成在發(fā)電單元的步驟包括:
[0062]步驟S1:選擇呈自然彎曲形狀的高分子片狀材料作為電池單元的基底。
[0063]可使用通過人為引入熱應(yīng)力而呈自然彎曲形狀的高分子片狀材料作為基底。具體方法是在較高溫度下(150度以上)在高分子膜上表面沉積一層與該高分子熱膨脹系數(shù)相差較大的材料(如SiO2)。一般來說，要在冷卻后達(dá)到較好的彎曲效果，沉積的薄膜的厚度需要在500nm以上。
[0064]步驟S2:利用柔性集流體和電極材料制備電池單元的正極和負(fù)極，使所述兩個(gè)電極均為柔性電極。
[0065]選用柔性導(dǎo)電材料(如碳布等)作為兩側(cè)電極的集流體?？赏ㄟ^化學(xué)合成直接將活性材料長在該柔性集流體上，整體作為電極。也可以將制備好的電極活性材料與導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑混合，制成漿料，均勻涂布在所選柔性集流體上，再在高溫(110?120°C )下真空烘干。其中，正極材料一般選用含有Li的化合物，如LiCoO2、LiMn204、LiFePO4等；而負(fù)極材料一般選用可以通過反應(yīng)插入Li的物質(zhì),如石墨、S1、Ti02、Ge、SnO2等。如果所選活性材料可以制備為納米結(jié)構(gòu)(如納米線、納米管、納米棒、納米顆粒等)，將具有更好的電化學(xué)儲(chǔ)存性能。
[0066]步驟S3:將步驟S2中制備好的兩側(cè)電極材料與一個(gè)高分子隔膜按照正極、隔膜、負(fù)極的順序依次堆疊于所述基底的凸面上，其中正極和負(fù)極的集流體分別引出導(dǎo)線。
[0067]所述高分子隔膜可以是聚乙烯、聚丙烯等，高分子隔膜的面積需要大于正極和負(fù)極的面積，使得兩側(cè)電極能夠被完全隔開，不發(fā)生物理接觸。而這三層各自的尺寸需均小于基底和覆蓋薄膜的尺寸，使它們可完全被基底和覆蓋薄膜形成的殼層包裹。
[0068]步驟S4:將一層高分子覆蓋薄膜覆蓋于所述正極、隔膜和負(fù)極組成的堆疊體上，然后用粘性物質(zhì)將所述高分子覆蓋薄膜的與所述基底接觸的邊緣部分緊密粘附固定于基底之上，并留有一個(gè)供所述兩個(gè)電極的導(dǎo)線引出的開口。
[0069]例如，當(dāng)所述基底、正極、隔膜、負(fù)極和覆蓋薄膜均為呈矩形時(shí)，所述覆蓋薄膜可以在與基底接觸的三個(gè)側(cè)面上固定，而將與基底彎曲方向垂直(即不具有彎曲弧度的)一側(cè)敞開不做固定，同時(shí)兩個(gè)電極的導(dǎo)線從這一側(cè)引出。所述粘性物質(zhì)可以是雙面膠等。所述高分子薄膜的厚度優(yōu)選為不大于所棕基底厚度的五分之一。這樣，覆蓋薄膜和基底就形成一個(gè)包裹所述正極、隔膜和負(fù)極組成的堆疊體的一個(gè)腔體，覆蓋薄膜下方中間部位覆蓋電極材料。所述高分子覆蓋薄膜最后成為電池單元的封殼體29。
[0070]該步驟還優(yōu)選為包括對(duì)所述接觸側(cè)面進(jìn)行密封的步驟。例如，可將基體與固化劑以10:1比例混合好的PDMS均勻涂于用粘性物質(zhì)(如雙面膠等)固定好的側(cè)面，達(dá)到密封的目的。密封步驟還可以包括對(duì)基底整體進(jìn)行烘干的步驟，例如將其轉(zhuǎn)移至110°C的烘箱中，放置12小時(shí)，一方面使諸如PDMS的固化劑充分固化，另一方面也能達(dá)到去除水分的目的。
[0071]步驟S5:從所述開口處向所述腔體中注入電解液，封閉所述開口。
[0072]該步驟可將基底整體轉(zhuǎn)移至充滿氬氣的手套箱中。從密封殼層的開口一側(cè)處注入鋰離子電池常用電解液(例如六氟磷酸鋰在體積比1:1:1的碳酸乙烯酯:碳酸二甲酯--碳酸二乙酯中的混合溶液)。將混合好的環(huán)氧樹脂膠均勻涂在上述殼層剩余的一個(gè)開口處，使得電解液被完全密封在殼層內(nèi)。然后將器件放置12個(gè)小時(shí)以上，待環(huán)氧樹脂膠充分固化后再將器件取出手套箱。
[0073]下面列舉幾個(gè)具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行更加清楚、完整地描述。應(yīng)當(dāng)了解的是，所描述的實(shí)施例僅是實(shí)施本發(fā)明的示例實(shí)施方式，而不是全部的實(shí)施方式?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0074]第一實(shí)施例1
[0075]該實(shí)施例將本發(fā)明實(shí)施為一種拱形自充電能源包，圖3為第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，在這一實(shí)施例 中，為了滿足摩擦發(fā)電機(jī)中電荷分離的需要，發(fā)電單元的第一部件和第二部件設(shè)計(jì)為中間具有空腔的彈性拱形結(jié)構(gòu)，電池單元為天然成彎曲形狀的軟性鋰離子電池單元。拱形結(jié)構(gòu)是指向一側(cè)彎曲的片材結(jié)構(gòu)，彎曲的弧度的頂點(diǎn)稱為拱頂。
[0076]如圖3所示，該實(shí)施例的拱形結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)相對(duì)設(shè)置的拱形的第一部件和第二部件，所述兩個(gè)部件的兩端相互抵觸并且其拱頂相互遠(yuǎn)離。第一部件由基底10和第一摩擦層13緊密結(jié)合而成，拱形朝著基底10—側(cè)凸出。第二部件由導(dǎo)電層12和第二摩擦層13緊密結(jié)合而成，拱形朝著導(dǎo)電層12—側(cè)凸出。
[0077]所述第一部件和第二部件的各層可由彈性材料制成。具體來說，作為一種代表結(jié)構(gòu)，該實(shí)施例可選用自然彎曲的柔軟高分子(例如聚酰亞胺)作為基底10，這種彎曲的形狀可以通過在高溫下鍍上一種熱膨脹系數(shù)相差較大的材料(如SiO2等)來實(shí)現(xiàn)。接著，可通過在基底10的凹面鍍上一層金屬薄膜作為第一摩擦層13，該第一摩擦層13兼起導(dǎo)電層的作用可由金屬鋁構(gòu)成。第二摩擦層14則可以采用與基板10相同的材料和工藝制成，并在其凸面鍍上一層金屬薄膜作為導(dǎo)電層12。第二導(dǎo)電層12的材料可與第一摩擦層13的材料相同，均為鋁。
[0078]為了提高該摩擦發(fā)電機(jī)單元的輸出效率，第二摩擦層14面向第一摩擦層13的表面上可以通過物理修飾以增大有效接觸面積和粗糙度，例如可以通過感應(yīng)耦合等離子刻蝕使表面的全部或部分產(chǎn)生聚酰亞胺納米棒陣列。
[0079]由于發(fā)電單元I的第一部件和第二部件的材料具有彈性，因此能夠在外力作用下被壓平，并在撤去外力時(shí)反彈為拱形，由此可以將該外力轉(zhuǎn)換為兩個(gè)拱形部件的離合(接觸與分離)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。而這種機(jī)械運(yùn)動(dòng)能夠產(chǎn)生摩擦電荷，將其轉(zhuǎn)換為電能后可經(jīng)由整流器3給電池單元2充電。
[0080]在所述基板10的凸面上，依次疊置電池單元2的正極21、隔膜層22(如聚乙烯)和負(fù)極23(例如TiO2)。正極21可以是涂布在Al箔上的LiFePO4、導(dǎo)電碳、粘結(jié)劑的混合物，隔膜層22可以是聚乙烯，負(fù)極23可以是Ti02。
[0081]正極21和負(fù)極23包括用于通過電化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)存電能的活性電極材料，和用于在兩側(cè)電極處收集導(dǎo)通電流的集流體。為了電池單元2的柔軟性，以便隨著基底10 —體地運(yùn)動(dòng)，可以選用柔軟的材料作為正極21和負(fù)極23的集流體，作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，可以將TiO2納米線生長在碳布上面，作為電池單元2的柔軟負(fù)極。在此結(jié)構(gòu)中，具有優(yōu)良導(dǎo)電性的碳布同時(shí)作為負(fù)極的集流體。生長在碳布上的TiO2的掃描電子顯微鏡(SEM)照片如圖4A和圖4B所示。其中，圖4A的右上角為碳布中生長有TiO2納米線的單根纖維的放大圖，圖4B為圖4A中白圈中的放大圖，清楚顯示了 TiO2納米線的形貌和它們?cè)诨椎牧己镁鶆蚋采w。該方法制備的電池負(fù)極，電極材料具有很大的比表面積，使得電化學(xué)反應(yīng)得以充分進(jìn)行，有利于提高電池的性能。
[0082]所述的在基底10上依次疊置的正極21、隔膜層22和負(fù)極23由一個(gè)電池殼體29封裝。下面來說明形成鋰離子電池的封裝殼體29的方法。
[0083]首先用一個(gè)比基底10薄很多的柔軟高分子薄膜(基底厚約125微米，高分子薄膜厚約25微米)覆蓋住整個(gè)電極結(jié)構(gòu)(依次疊置的正極21、隔膜層22和負(fù)極23)。該實(shí)施例中，基底和其上覆蓋的各層均呈矩形，基底在矩形的一條側(cè)邊方向上彎曲。由此，在其與基底10結(jié)合的四個(gè)側(cè)面的邊緣處，先用聚酰亞胺雙面膠帶在三個(gè)側(cè)面進(jìn)行固定，留有與圖3中顯示平面垂直的一側(cè)作為開口，用于電極的導(dǎo)線的引出和后續(xù)電解液的注入。由于疊置的電池正極層、負(fù)極層和隔膜具有一定厚度，可將其上覆蓋薄膜中間部位撐起，形成一個(gè)腔體。然后，用基體和固化劑按10:1的比例剛剛混合好的聚二甲基硅氧烷(PDMS)(或其他由兩種膠狀成分混合固化后呈柔軟態(tài)的高分子材料，如聚乙烯醇等)將這三側(cè)的結(jié)合處進(jìn)行密封。所述電極21、23的集流體連有的導(dǎo)線從開口一側(cè)引出，達(dá)到外部封裝殼體29。接下來，將連接有封裝殼體29的基底10轉(zhuǎn)移至110°C恒溫烘箱中烘烤12小時(shí)，一方面為了PDMS密封層的固化，另一方面幫助電池結(jié)構(gòu)除水。之后，將從烘箱中取出的基底10立即放入充滿氬氣的手套箱。在手套箱內(nèi)，通過該電池單元2的封裝殼體29與基底10之間剩余一側(cè)的開口處，注入電解液，使電極結(jié)構(gòu)完全浸泡在電解液中。最后，將封裝殼體剩余的開口處用環(huán)氧樹脂粘合進(jìn)行密封。將與電池單元連接的基板10放置12個(gè)小時(shí)后，環(huán)氧樹脂完全凝固，可將其從手套箱內(nèi)取出。由于這一封裝殼體29的上層的高分子薄膜具有遠(yuǎn)小于支撐層基底的厚度，平行于彎曲方向兩側(cè)的封裝材料為柔軟的PDMS，因而這個(gè)電池單元在自然狀態(tài)下的形狀將由其基底10決定，即呈現(xiàn)拱形，并且在外部壓力的作用下可以發(fā)生形變。在該拱形結(jié)構(gòu)中，外部機(jī)械能可通過作用于該拱形的凸面(即拱形頂點(diǎn)側(cè))將其壓平。
[0084]該實(shí)施例的自充電能源包在外界機(jī)械力作用下，柔軟且彈性的拱形結(jié)構(gòu)可以被周期性的壓平，使得第一摩擦層13和第二摩擦層14相互接觸而產(chǎn)生摩擦電荷。這兩個(gè)異號(hào)摩擦電荷面隨著作用力間歇性地撤去而發(fā)生周期性分離，在發(fā)電單元I的兩個(gè)電極之間產(chǎn)生周期變化的感應(yīng)電勢差，而在外電路產(chǎn)生交流電輸出。該交流電經(jīng)過整流后可以儲(chǔ)存在電池單元2中，便于以后使用。
[0085]圖5顯示了根據(jù)第一實(shí)施例實(shí)施的一種典型器件在“可持續(xù)模式”下作為恒壓供電裝置輸出電壓及電流。經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢測，其能夠在9Hz的外界機(jī)械振動(dòng)作用下，以大約1.55V的穩(wěn)定電壓持續(xù)輸出一個(gè)2 μ A的電流長達(dá)40個(gè)小時(shí)。
[0086]第二實(shí)施例
[0087]第二實(shí)施例也是一種自充電能源包，與第一實(shí)施例不同的是，其發(fā)電單元采用直線滑動(dòng)式摩擦發(fā)電單元。圖6Α和圖6Β為第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖6Β是圖6Α中部分結(jié)構(gòu)的放大示意圖。如圖6Α所示，發(fā)電單元I同樣包括第一部件和第二部件，第一部件包括依次疊置的第一基底10、第一導(dǎo)電層11和第一摩擦層13，第二部件包括依次疊置的第二基底16、第二導(dǎo)電層12和第二摩擦層14。第一摩擦層13與第二摩擦層14相互緊密接觸，第一部件和第二部件能夠在第一摩擦層13與第二摩擦層14的接觸面上相互之間來回地滑動(dòng)。
[0088]該實(shí)施例中，所述第一基底10和第二基底16是兩個(gè)剛性平板，在兩個(gè)平板的相對(duì)表面粘附有成周期性柵格狀排布的摩擦層和導(dǎo)電層。圖6Β顯示了所述周期性柵格狀排布結(jié)構(gòu)，其中顯示了第一部件的第一導(dǎo)電層11和第一摩擦層13。所謂周期性柵格狀排布是指摩擦層和導(dǎo)電層周期性等間隔地排布，各間隔之間的摩擦層和導(dǎo)電層區(qū)域稱為柵格單元。與如圖6Β所示，同一基底10表面的摩擦層13為相同材料，其下的柵格狀導(dǎo)電層11在通過導(dǎo)線15連在一起，相互導(dǎo)通。相對(duì)的，第二部件與第一部件具有類似的結(jié)構(gòu)，但第二摩擦層14與第一摩擦層13是摩擦電極序不同的兩種不同材料。
[0089]在該實(shí)施例中，發(fā)電單兀I的其中一個(gè)部件的基底，例如第一基底10同時(shí)作為電池單元的封裝殼體29的支撐基底，在其外部附著有電池單元，電池單元的結(jié)構(gòu)、材料和制造工藝與第一實(shí)施例相同，也可根據(jù)本領(lǐng)域的慣用技術(shù)手段進(jìn)行替換或修飾，在此不再贅述。
[0090]更具體的，與第一實(shí)施例類似，發(fā)電單元I的第一摩擦層13與第二摩擦層14中的至少一個(gè)為絕緣體材料，另一個(gè)可為絕緣體也可為導(dǎo)體。如果摩擦層是是導(dǎo)體，則摩擦層可以兼起導(dǎo)電層的作用，由此，導(dǎo)電層可以省略。同樣，為了增加摩擦電荷密度，可以通過物理手段(如刻蝕)或者化學(xué)手段(如功能基團(tuán)修飾)對(duì)摩擦層表面進(jìn)行修飾，增大有效接觸面積和表面粗糙度，以及兩個(gè)表面間的有效費(fèi)米能級(jí)之差。
[0091]在工作時(shí)，發(fā)電單元I的兩個(gè)部件的接觸表面保持相互貼合，受到外界機(jī)械振動(dòng)的帶動(dòng)而在沿著接觸表面的方向發(fā)生相互錯(cuò)動(dòng)，產(chǎn)生摩擦電荷。當(dāng)柵格單元的間距不小于柵格單元的寬度時(shí)，接觸表面的滑動(dòng)能夠使第一摩擦層13和第二摩擦層14從完全重合的位置互相滑動(dòng)到完全不重合。例如，若柵格單元的距離與柵格單元寬度相等，則當(dāng)兩個(gè)部件從完全重合滑動(dòng)至完全不重合后又回到完全重合位置時(shí)，相反的摩擦電荷面就從全部重合的狀態(tài)，變到全部相互分離，再回到相互重合，這可以產(chǎn)生一對(duì)交流電信號(hào)。因此，當(dāng)兩個(gè)部件朝一個(gè)方向滑開一個(gè)完整基板的長度時(shí)，電荷就發(fā)生了多次重合-分離-重合的過程，而產(chǎn)生多組交流信號(hào)，有效轉(zhuǎn)化機(jī)械能。當(dāng)外界的機(jī)械能輸入使得兩個(gè)基板反復(fù)來回錯(cuò)動(dòng)，就能持續(xù)產(chǎn)生交流電信號(hào)，經(jīng)過整流后，可以有效儲(chǔ)存在上述電池單元中。
[0092]第三實(shí)施例
[0093]第三實(shí)施例是一種轉(zhuǎn)盤式自充電能源包，即其中的發(fā)電單元I是轉(zhuǎn)盤式摩擦發(fā)電單元。圖7Α和7Β顯示了第三實(shí)施例的原理結(jié)構(gòu)圖。如圖7Α所示，該實(shí)施例的電池單元的第一部件和第二部件是兩個(gè)同心轉(zhuǎn)盤，即第一轉(zhuǎn)盤和第二轉(zhuǎn)盤，兩個(gè)轉(zhuǎn)盤均呈圓餅形且外徑相等。并且，兩個(gè)轉(zhuǎn)盤以中心對(duì)準(zhǔn)的方式相互貼合，第一轉(zhuǎn)盤和第二轉(zhuǎn)盤能繞其中心軸進(jìn)行相對(duì)地轉(zhuǎn)動(dòng)(可同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，或者一個(gè)靜止，另一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng))，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在其接觸面上能產(chǎn)生相對(duì)的滑動(dòng)。兩個(gè)轉(zhuǎn)盤的疊層結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施例和第二實(shí)施例類似，即其接觸面上均包括摩擦層，第一摩擦層13與第二摩擦層14具有不同的摩擦電極序。在摩擦層背后貼附有導(dǎo)電層，同一個(gè)轉(zhuǎn)盤上的導(dǎo)電層區(qū)域相互連接，成為一個(gè)整體電極。當(dāng)兩個(gè)轉(zhuǎn)盤相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過該兩種不同的摩擦材料之間的滑動(dòng)摩擦，在兩個(gè)摩擦層上產(chǎn)生電性相異的接觸電荷。
[0094]為了有更好的發(fā)電效果，兩個(gè)摩擦層優(yōu)選為用同樣的“周期扇區(qū)”的方式來設(shè)置，所謂“周期扇區(qū)”是指在轉(zhuǎn)盤上繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心分布的多個(gè)大小相同且間隔相等的扇形區(qū)域，如圖7B所示。為了實(shí)現(xiàn)和電池的結(jié)合，兩個(gè)轉(zhuǎn)盤中的任意一個(gè)同時(shí)還作為電池單元的封裝殼體的支撐基底，從而在其背面附著有電池單元。類似的，電池結(jié)構(gòu)是由正極、隔膜、負(fù)極和電解液組成，與前述實(shí)施例相同，在此不再詳細(xì)展開說明
[0095]當(dāng)兩個(gè)表面在外界轉(zhuǎn)動(dòng)能量的帶動(dòng)下發(fā)生相互轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)表面的的扇形摩擦區(qū)域就會(huì)發(fā)生周期性的重合與分離，從而感應(yīng)產(chǎn)生交流電信號(hào)，整流后可以儲(chǔ)存于電池單元中。
[0096]上述實(shí)施例示例性地實(shí)施了本發(fā)明的恒壓自充電能源包的結(jié)構(gòu)，并且，它們都具有一種全新工作模式-“持續(xù)供電”。在該模式下，發(fā)電單元利用從機(jī)械能產(chǎn)生的電流給電池單兀充電的同時(shí)，電池單兀也在向外部負(fù)載R供電，給負(fù)載提供一個(gè)穩(wěn)恒電壓。在這種模式下，電池中消耗的能量不斷得到發(fā)電機(jī)的補(bǔ)充，而使得其內(nèi)部的能量可以在很長的時(shí)間范圍內(nèi)保持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。由于電池單元的輸出電壓是由它所基于的電化學(xué)反應(yīng)的電極電勢差決定的，在很大范圍內(nèi)幾乎不受電池單元內(nèi)所存儲(chǔ)的電量的影響，因此只要發(fā)電單元給電池單元提供的平均充電電流大致等于電池驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需的電流，電池單元內(nèi)所存的電量就不會(huì)發(fā)生太大波動(dòng)，電池單元就能夠在這種模式下向外持續(xù)提供一個(gè)恒壓輸出，從而該自充電能源包就可以作為一個(gè)可獨(dú)立持續(xù)工作的具有無限壽命的電源。
[0097]在本發(fā)明提供的這種新型工作模式中，由機(jī)械能產(chǎn)生的非連續(xù)不穩(wěn)定電輸出不再用于直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載器件工作，而是作為電池能的能源補(bǔ)充。由于機(jī)械能在自然界和人類生活中廣泛存在隨處可得，電池單元中的能量就可能隨時(shí)得到補(bǔ)充，而達(dá)到持續(xù)工作的無限壽命。上述實(shí)施例中實(shí)施的發(fā)電單元和電池單元是本發(fā)明在具體實(shí)施過程中的示例，本發(fā)明的主旨在于將上述發(fā)電單元和電池單元合成一個(gè)整體，以提供在自充電的同時(shí)為外部負(fù)載供電的技術(shù)效果。因此，上述實(shí)施例并不應(yīng)解釋為對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上不付出創(chuàng)造性勞實(shí)現(xiàn)的發(fā)電單元和電池單元的整合結(jié)構(gòu)并達(dá)到同時(shí)充放電的效果的技術(shù)方案，均包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種恒壓自充電能量供給設(shè)備，包括發(fā)電單元、全橋整流電路和電池單元，所述發(fā)電單元用于將外界機(jī)械能轉(zhuǎn)換為交流電信號(hào)，該交流電信號(hào)經(jīng)過所述全橋整流電路整流成直流電后給所述電池單元實(shí)時(shí)充電，其特征在于:所述發(fā)電單元包括至少一個(gè)基底，所述電池單元與所述發(fā)電單元共用一個(gè)所述基底。
2.如權(quán)利要求1所述的恒壓自充電能量供給設(shè)備，其特征在于:所述發(fā)電單元包括能夠相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第一部件和第二部件，所述第一部件包括依次緊密結(jié)合的第一基底(10)、第一導(dǎo)電層(11)和第一摩擦層(13)，第二部件包括緊密結(jié)合的第二導(dǎo)電層(12)和第二摩擦層(14)； 所述電池單元(2)和所述發(fā)電單元的第一部件共用所述第一基底(10)； 所述第一導(dǎo)電層(11)和第二導(dǎo)電層(12)通過導(dǎo)線與所述全橋整流電路的輸入端相連； 所述第一摩擦層(13)與所述第二摩擦層(14)的材料具有不同的摩擦電極序。
3.如權(quán)利要求2所述的恒壓自充電能量供給設(shè)備，其特征在于:所述第一部件與第二部件能夠相對(duì)發(fā)生縱向離合運(yùn)動(dòng)或者水平滑動(dòng)。
4.如權(quán)利要求2所述的恒壓自充電能量供給設(shè)備，其特征在于: 所述發(fā)電單元的第一 部件和第二部件為相對(duì)設(shè)置的拱形部件，并且二者的拱頂相互遠(yuǎn)離； 所述第一部件和/或第二部件能夠在外力作用下發(fā)生彈性形變從而使所述第一摩擦層(13)與所述第二摩擦層(14)全部或部分表面接觸，并在撤去外力時(shí)恢復(fù)原狀。
5.如權(quán)利要求2或3所述的恒壓自充電能量供給設(shè)備，其特征在于: 所述第二部件還包括第二基底(16)，所述第二基底(16)、第二導(dǎo)電層(12)和第二摩擦層(14)依次疊置； 所述第一摩擦層(13)與所述第二摩擦層(14)相互緊密接觸； 所述第一部件和第二部件能夠在所述第一摩擦層(13)與第二摩擦層(14)的接觸面上相互之間來回地滑動(dòng)。
6.如權(quán)利要求5所述的恒壓自充電能量供給設(shè)備，其特征在于:所述第一導(dǎo)電層(11)、第一摩擦層(13)、第二導(dǎo)電層(12)和第二摩擦層(14)均為周期性柵格狀。
7.如權(quán)利要求2所述的恒壓自充電能量供給設(shè)備，其特征在于: 所述第一部件和第二部件是兩個(gè)同心轉(zhuǎn)盤，即第一轉(zhuǎn)盤和第二轉(zhuǎn)盤，所述兩個(gè)轉(zhuǎn)盤以中心對(duì)準(zhǔn)的方式相互貼合，第一轉(zhuǎn)盤和第二轉(zhuǎn)盤能繞其中心軸進(jìn)行相對(duì)地轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所述第一摩擦層(13)和所述第二摩擦層(14)相互接觸并產(chǎn)生相對(duì)的滑動(dòng)。
8.如權(quán)利要求7所述的恒壓自充電能量供給設(shè)備，其特征在于: 所述兩個(gè)摩擦層采用同樣的“周期扇區(qū)”的方式來設(shè)置，所謂“周期扇區(qū)”是指在轉(zhuǎn)盤上繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心分布的多個(gè)大小相同且間隔相等的扇形區(qū)域。
9.如權(quán)利要求1~8中任一項(xiàng)所述的恒壓自充電能量供給設(shè)備，其特征在于:所述第一摩擦層(13)與第二摩擦層(14)中的至少一個(gè)為絕緣體材料。
10.如權(quán)利要求1~8中任一項(xiàng)所述的恒壓自充電能量供給設(shè)備，其特征在于:所述電池單元由發(fā)電單元進(jìn)行充電的時(shí)候，同時(shí)向外部負(fù)載供電。
11.如權(quán)利要求1~8中任一項(xiàng)所述的恒壓自充電能量供給設(shè)備，其特征在于:所述電池單元包括一個(gè)用于封裝的封裝殼體(29)，所述封裝殼體29用于使其內(nèi)部與外部隔絕并且使內(nèi)部能夠容納并充滿電解液，在所述封裝殼體(29)的內(nèi)部包括依次堆疊的正極(21)、隔膜(22)和負(fù)極(23);所述正極(21)和負(fù)極(23)均通過導(dǎo)線穿過所述封裝殼體(29)連接至所述全橋整流器；所述電池單元與所述第一部件共用所述第一基底(10)。
12.如權(quán)利要求11所述的恒壓自充電能量供給設(shè)備，其特征在于:所述正極(21)和負(fù)極(23)采用為柔性導(dǎo)電材料作為集流體，所述隔膜(22)采用多孔高分子薄膜。
13.如權(quán)利要求11所述的恒壓自充電能量供給設(shè)備，其特征在于:所述柔性導(dǎo)電材料為碳布。
14.如權(quán)利要求11所述的恒壓自充電能量供給設(shè)備，其特征在于:所述正極的材料是含有Li的化合物，所述負(fù)極的材料為能夠通過反應(yīng)插入Li的物質(zhì)。
15.如權(quán)利要求11所述的恒壓自充電能量供給設(shè)備，其特征在于:所述封裝殼體(29)通過聚二甲基硅氧烷與所述第一基底(10)密封。
16.一種制造恒壓自充電能量供給設(shè)備的方法，用于制造如權(quán)利要求1~14中任一項(xiàng)所述的恒壓自充電能量供給設(shè)備，其特征在于，所述制造電池單元的方法包括: 步驟S1:選擇高分子片狀材料作為電池單元的基底； 步驟S2:利用柔性集流體和電極材料制備電池單元的正極和負(fù)極，使所述兩個(gè)電極均為柔性電極； 步驟S3:將步驟S2中制備好的兩側(cè)電極材料與一個(gè)高分子隔膜按照正極、隔膜、負(fù)極的順序依次堆疊于所述基底的上表面，其中正極和負(fù)極的集流體分別引出導(dǎo)線；` 步驟S4:將一層高分子覆蓋薄膜覆蓋于所述正極、隔膜和負(fù)極組成的堆疊體上，然后用粘性物質(zhì)將所述高分子覆蓋薄膜的與所述基底接觸的邊緣部分緊密粘附固定于基底之上，同時(shí)用聚二甲基硅氧烷進(jìn)行密封，并留有一個(gè)供所述兩個(gè)電極的導(dǎo)線引出的開口 ； 步驟S5:從所述開口處向所述腔體中注入電解液，封閉所述開口。
17.如權(quán)利要求16所述的制造恒壓自充電能量供給設(shè)備的方法，其特征在于:在步驟S2中，選用柔性導(dǎo)電材料作為所述正極和負(fù)極的集流體，通過化學(xué)合成直接將活性材料長在該柔性集流體上，整體作為電極。
18.如權(quán)利要求16所述的制造恒壓自充電能量供給設(shè)備的方法，其特征在于:在步驟S2中，選用柔性導(dǎo)電材料作為所述正極和電極的集流體，將電極活性材料與導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑混合，制成漿料，均勻涂布在所述柔性集流體上，再進(jìn)行烘干。
19.如權(quán)利要求16所述的制造恒壓自充電能量供給設(shè)備的方法，其特征在于:在所述步驟S2中，所述正極的材料是含有Li的化合物，所述負(fù)極的材料為能夠通過反應(yīng)插入Li的物質(zhì)。
20.如權(quán)利要求19所述的制造恒壓自充電能量供給設(shè)備的方法，其特征在于:所述活性材料具有納米結(jié)構(gòu)。
21.如權(quán)利要求16所述的制造恒壓自充電能量供給設(shè)備的方法，其特征在于:在所述步驟S3中，所述隔膜的面積大于正極和負(fù)極的面積，使得兩側(cè)電極能夠被完全隔開，不發(fā)生物理接觸。
22.如權(quán)利要求16所述的制造恒壓自充電能量供給設(shè)備的方法，其特征在于:在所述步驟S3中，所述正極、隔膜和負(fù)極的尺寸均小于所述基底和覆蓋薄膜的尺寸，使它們可完全被基底和覆蓋薄膜形成的殼層包裹。
23.如權(quán)利要求16所述的制造恒壓自充電能量供給設(shè)備的方法，其特征在于:在所述步驟S4中，所述基底、正極、隔膜、負(fù)極和覆蓋薄膜均為呈矩形，所述覆蓋薄膜在與基底接觸的三個(gè)側(cè)面上固定。
24.如權(quán)利要求23所述的制造恒壓自充電能量供給設(shè)備的方法，其特征在于:所述步驟S4還包括對(duì)所述接觸側(cè)面進(jìn)行密封的步驟。
25.如權(quán)利要求24所述的制造恒壓自充電能量供給設(shè)備的方法，其特征在于:通過聚二甲基硅氧烷使對(duì)所述接觸側(cè)面進(jìn)行密封。
26.如權(quán)利要求24所述的制造恒壓自充電能量供給設(shè)備的方法，其特征在于:所述密封步驟還可以包括對(duì)基底整體進(jìn)行烘干的步驟。
27.如權(quán)利要求16所述的制造恒壓自充電能量供給設(shè)備的方法，其特征在于:所述步驟S5在非氧氣氛中進(jìn)行。`
【文檔編號(hào)】H02J7/00GK103779885SQ201310444879
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2013年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月26日
【發(fā)明者】王中林, 王思泓 申請(qǐng)人:國家納米科學(xué)中心