一种利用水滴自充电装置及其发电方法

本发明涉及微水流发电，具体涉及一种利用水滴自充电装置及其发电方法。

背景技术：

1、目前能源危机持续加剧，环境问题日益严峻，清洁可持续能源的开发备受关注。直接从环境或者人体中获取清洁可持续的能源并存储已成为目前热门的能源获取方法之一。比如将太阳能、风能、地热、机械能等能源转化为电能。但这类能源收集器件普遍存在能量收集存储不同步以及需要在光照、温差、压力、摩擦等特定条件下工作的问题。自然界中的动态水循环过程中蕴含着巨大的能量，且尚未被充分开发利用，将水的流动、蒸发、吸附等过程中所蕴含的能量转化为电能，具有重要的研究和应用价值。

2、微水流纳米发电装置直接利用材料与各种形式的水(包括湿气、雨滴和波浪)之间的相互作用产生电能。微水流广泛存在于周围环境和人体中。将微水流发电装置与超级电容器结合的水电超级电容器能够集能量收集与存储一体，解决其他自充电器件需在光照、温差、压力等特定条件下充电的问题，具有低成本高灵活性、便携、清洁可持续、环境适应性强等优点。目前主要有利用高出下落的雨滴、微水流的流动、微水流的渗透、湿气的吸附等方式发电。虽然取得了一系列研究进展，但是利用微水流发电的研究仍然面临以下主要挑战：1）输出电流（几十微安级）、输出电压（几十到几百毫伏）、功率密度低（低于1mw·cm-2）等，限制其实际应用；2）水电超级电容器部分的电解液多为强酸性或盐类电解液，安全性不高，有腐蚀泄露的风险，不易应用在可穿戴设备上。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种利用水滴自充电装置及其发电方法，该装置利用水滴即可发电并存储，电能输出高效，且易于实现，安全环保，实现成本低。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种利用水滴自充电装置，包括自下而上依次设置的第一碳纳米管/聚苯胺电极、中间隔膜称量纸、第二碳纳米管/聚苯胺电极、中间隔膜滤纸和金属箔；所述金属箔上开设有用于滴加水并通过空气的通孔；两个碳纳米管/聚苯胺电极和中间隔膜称量纸构成水电超级电容器，第二碳纳米管/聚苯胺电极、中间隔膜滤纸和金属箔构成金属空气电池，所述水电超级电容器和金属空气电池以第二碳纳米管/聚苯胺电极为共电极，所述水电超级电容器和金属空气电池利用共电极进行串联。

3、进一步地，所述碳纳米管/聚苯胺电极的制备方法为：

4、1）利用碳纳米管通过超声分散和抽滤的方式制得碳纳米管薄膜；

5、2）在制得的碳纳米管薄膜上利用原位聚合的方法复合聚苯胺，得到自支撑的碳纳米管/聚苯胺复合薄膜材料；

6、3）对得到的碳纳米管/聚苯胺复合薄膜材料进行清洗后烘干，得到碳纳米管/聚苯胺电极。

7、进一步地，步骤2）中，利用碳纳米管薄膜与0.05 m的苯胺单体溶液和0.05 m过硫酸铵溶液在0℃环境下反应设定时间完成复合。

8、进一步地，所述中间隔膜称量纸用于隔开第一碳纳米管/聚苯胺电极和第二碳纳米管/聚苯胺电极，防止两个电极直接接触而导致短路；所述中间隔膜称量纸还用于当水通过共电极到达中间隔膜称量纸上时，选择性地让水中的h+通过，而让水中的oh-留在中间隔膜称量纸上。

9、进一步地，所述中间隔膜滤纸用于隔开第二碳纳米管/聚苯胺电极和金属箔，防止两个电极直接接触而导致短路；所述中间隔膜滤纸还具有强吸水性和透气性，以让进入装置的水和空气快速通过中间隔膜滤纸到达共电极。

10、进一步地，所述金属箔为铝箔。

11、进一步地，所述第一碳纳米管/聚苯胺电极、中间隔膜称量纸、第二碳纳米管/聚苯胺电极、中间隔膜滤纸和金属箔各层之间紧密接触，四周压紧后用胶带固定。

12、本发明还提供了上述利用水滴自充电装置的发电方法，具体为：将装置放置在空气中，空气通过金属箔的通孔进入装置，并透过中间隔膜滤纸到达共电极；要发电时，向金属箔的通孔上滴加水，所述中间隔膜滤纸的强吸水性使水快速流入装置，并透过中间隔膜滤纸到达共电极；水快速透过共电极并到达中间隔膜称量纸上，水中的h+被选择性通过中间隔膜称量纸；通过第一碳纳米管/聚苯胺电极和金属箔向外连接负载，装置即可向外输出电压。

13、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种利用水滴自充电装置及其发电方法，该装置解决了水电超级电容器输出低、发电方式繁琐、瞬态发电等问题，通过滴加生活中常用的自来水便可驱动装置发电并存储，最大输出电压在100秒内可达1.5 v，实现高效，高输出。该装置相比单独的水电超级电容器在开路电压、输出功率密度和能量密度都有较大的提升，相比其他类型的自储能器件也具有更佳的性能。此外，该装置环保安全，腐蚀现象大大降低，可实现循环使用以及集成化，克服了空气电池易腐蚀电极或者发生漏液和变形的问题。该装置具有低成本、轻量化、薄化、易制作、可弯曲、安全环保的特点，可在小型便携式设备中推广应用。

技术特征：

1.一种利用水滴自充电装置，其特征在于，包括自下而上依次设置的第一碳纳米管/聚苯胺电极、中间隔膜称量纸、第二碳纳米管/聚苯胺电极、中间隔膜滤纸和金属箔；所述金属箔上开设有用于滴加水并通过空气的通孔；两个碳纳米管/聚苯胺电极和中间隔膜称量纸构成水电超级电容器，第二碳纳米管/聚苯胺电极、中间隔膜滤纸和金属箔构成金属空气电池，所述水电超级电容器和金属空气电池以第二碳纳米管/聚苯胺电极为共电极，所述水电超级电容器和金属空气电池利用共电极进行串联。

2.根据权利要求1所述的一种利用水滴自充电装置，其特征在于，所述碳纳米管/聚苯胺电极的制备方法为：

3.根据权利要求2所述的一种利用水滴自充电装置，其特征在于，步骤2）中，利用碳纳米管薄膜与0.05 m的苯胺单体溶液和0.05 m过硫酸铵溶液在0℃环境下反应设定时间完成复合。

4.根据权利要求1所述的一种利用水滴自充电装置，其特征在于，所述中间隔膜称量纸用于隔开第一碳纳米管/聚苯胺电极和第二碳纳米管/聚苯胺电极，防止两个电极直接接触而导致短路；所述中间隔膜称量纸还用于当水通过共电极到达中间隔膜称量纸上时，选择性地让水中的h+通过，而让水中的oh-留在中间隔膜称量纸上。

5.根据权利要求1所述的一种利用水滴自充电装置，其特征在于，所述中间隔膜滤纸用于隔开第二碳纳米管/聚苯胺电极和金属箔，防止两个电极直接接触而导致短路；所述中间隔膜滤纸还具有强吸水性和透气性，以让进入装置的水和空气快速通过中间隔膜滤纸到达共电极。

6.根据权利要求1所述的一种利用水滴自充电装置，其特征在于，所述金属箔为铝箔。

7.根据权利要求1所述的一种利用水滴自充电装置，其特征在于，所述第一碳纳米管/聚苯胺电极、中间隔膜称量纸、第二碳纳米管/聚苯胺电极、中间隔膜滤纸和金属箔各层之间紧密接触，四周压紧后用胶带固定。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种利用水滴自充电装置的发电方法，其特征在于，将装置放置在空气中，空气通过金属箔的通孔进入装置，并透过中间隔膜滤纸到达共电极；要发电时，向金属箔的通孔上滴加水，所述中间隔膜滤纸的强吸水性使水快速流入装置，并透过中间隔膜滤纸到达共电极；水快速透过共电极并到达中间隔膜称量纸上，水中的h+被选择性通过中间隔膜称量纸；通过第一碳纳米管/聚苯胺电极和金属箔向外连接负载，装置即可向外输出电压。

技术总结本发明涉及一种利用水滴自充电装置，包括自下而上依次设置的第一碳纳米管/聚苯胺电极、中间隔膜称量纸、第二碳纳米管/聚苯胺电极、中间隔膜滤纸和金属箔；所述金属箔上开设有用于滴加水并通过空气的通孔；两个碳纳米管/聚苯胺电极和中间隔膜称量纸构成水电超级电容器，第二碳纳米管/聚苯胺电极、中间隔膜滤纸和金属箔构成金属空气电池，所述水电超级电容器和金属空气电池以第二碳纳米管/聚苯胺电极为共电极，所述水电超级电容器和金属空气电池利用共电极进行串联。该装置利用水滴即可发电并存储，电能输出高效，且易于实现，安全环保，实现成本低。技术研发人员：高丹,陈炳兴受保护的技术使用者：福建江夏学院技术研发日：技术公布日：2024/8/20