一种柔性叠层式MEG–FTEG双源能量采集装置以及制备方法

本发明属于柔性电子与环境能量采集，具体涉及一种可同时采集湿气能与温差热能的叠层式双源能量采集装置及其制备方法。

背景技术：

1、随着柔性电子、可穿戴健康监测设备与便携式智能终端的快速普及，器件对微型化、柔性化、长寿命、自供电能力的需求日益迫切。传统锂离子电池等储能器件存在体积较大、需要定期充电、循环寿命有限、废弃后易造成环境污染等固有缺陷，难以满足下一代可穿戴设备长期稳定、免维护的工作要求。因此，从人体周围环境中采集能量实现自供电，已成为柔性可穿戴电子领域的重要研究方向。

2、自然界与人体体表广泛存在着低品位热能和湿度能，这些能源分布广、获取便捷、绿色可持续，是可穿戴系统理想的供能来源。湿气发电器件（moisture electricgenerator, meg）可利用环境湿度梯度驱动离子定向迁移，在上下电极间产生电势差，无需外加偏压即可将湿气能转化为电能；热电发电器件（thermoelectric generator, teg）基于塞贝克效应，能够将人体皮肤与环境空气间的微小温差（通常1~5℃）直接转化为电能输出。然而，单一能源采集方式普遍存在输出功率低（meg通常在亚微瓦至数微瓦量级，teg在微瓦至数十微瓦量级）、受环境条件影响大（meg依赖湿度、teg依赖温差）、工作稳定性不足等问题，难以独立满足可穿戴设备的持续供电需求。

3、为提升可穿戴设备的能量供给能力，研究者提出将meg与teg进行集成以实现多源能量协同采集。现有双源能量采集装置多采用直接串联集成方式——将meg与teg的输出端直接串联后接入同一负载或储能电路。然而，由于meg的内阻通常在兆欧（mω）量级，而bi2te3基teg的内阻通常在数欧至数十欧量级，两者内阻相差3~6个数量级，直接串联将导致严重的阻抗失配：高内阻的meg单元几乎无法向低内阻负载输出功率，整体发电效率大幅降低。此外，脆性无机热电材料（如bi2te3）的柔性化集成、封装材料的热传导性能与机械柔性的平衡优化、双源单元的结构兼容性与上下层间的电学隔离等关键技术难题，仍未得到有效解决，严重限制了双源能量采集技术在可穿戴领域的实际应用。

技术实现思路

1、本发明目的：为了克服上述现有技术存在的问题，提出了一种柔性叠层式meg–fteg双源能量采集装置及其制备方法。通过将meg单元与fteg单元以eptfe隔膜分离的上下叠层方式进行集成，实现两单元在同一柔性平台上的独立能量采集与独立电学输出，从根本上解决传统串联集成方案中因内阻差异过大导致的输出失配问题，同时采用全柔性材料体系与拱门型互连结构提升器件的形变适应性与电连接可靠性。

2、第一方面，本发明提供一种柔性叠层式meg–fteg双源能量采集装置，包括：上层湿气发电（meg）单元、下层柔性热电发电（fteg）单元，以及设置在两者之间的eptfe隔膜（4）。

3、所述meg单元自上而下依次设置活性炭电极（1）、离子导电水凝胶（2）、开孔铝电极（3）以及eptfe隔膜（4），所述eptfe隔膜（4）的孔径为0.2~1.0μm、厚度为25~100μm，用于实现水汽从上方meg单元向下方fteg单元的定向传输，同时利用其高电阻率特性避免上下层单元间发生电学短路；所述fteg单元以fpcb（6）为柔性基底，p型bi2te3热电臂（7）和n型bi2te3热电臂（8）交替排布在fpcb（6）表面，相邻热电臂间距为0.5~1.5mm，底部电极（9）连接由fpcb（6）覆铜层实现，顶部电连接通过拱门型铜导线（10）完成，且fteg单元整体采用水凝胶封装层（5）包裹以提升器件柔性与热传导效率。

4、优选地，所述离子导电水凝胶（2）为cacl2交联的pva-海藻酸钠复合水凝胶，其中添加有甘油作为增塑剂与保水剂，凝胶厚度约为2mm。

5、优选地，所述p型（7）和n型（8）bi2te3热电臂尺寸为1mm×1mm×1.2mm，通过锡焊工艺分别与底部fpcb（6）覆铜电极（9）、顶部拱门型铜导线（10）焊接固定，形成串联连接的热电偶阵列。

6、优选地，所述fteg单元的水凝胶封装层（5）与meg单元的离子导电水凝胶（2）采用相同配方制备，在保证器件柔性的同时提升热传导效率，4℃温差下输出功率较硅胶封装提升11.5%以上。

7、优选地，装置整体采用全柔性材料体系，可承受大幅度扭转、弯曲形变，能够紧密贴合人体手臂等不规则表面，具备可穿戴适配性。

8、第二方面，本发明实施例中提供了一种叠层集成结构。

9、所述叠层结构使meg和fteg能够在同一柔性平台上分别收集湿气能和热能，同时保持两个能量单元的独立输出，避免了由于内阻差异过大而导致的直接串联失配问题。

10、第三方面，本发明提供一种上述柔性叠层式meg–fteg双源能量采集装置的制备方法，包括以下步骤：

11、s1、制备meg单元：将2.5gpva加入22.5g去离子水中，95℃加热搅拌至溶解，加入0.3g海藻酸钠和5g甘油搅拌均匀，倒入模具-20℃冷冻24h，解冻后浸泡于3wt%cacl2水溶液中12h，得到离子导电水凝胶，在其上下表面分别贴合活性炭电极和开孔铝电极；

12、s2、制备fteg单元：在fpcb柔性基底上交替排布并焊接p型和n型bi2te3热电臂，通过fpcb覆铜层实现底部电连接，采用拱门型铜导线完成顶部串联连接，随后用水凝胶进行整体封装；

13、s3、叠层集成：在teg单元上方铺设eptfe隔膜，再将meg单元的开孔铝下电极一侧朝下叠放于eptfe隔膜上，完成整体组装。

14、本发明具有以下优点和有益效果：

15、本发明优点之一是采用叠层式双源独立输出集成架构，通过eptfe隔膜（4）实现水汽传输与电学隔离，从根本上解决了传统串联集成的内阻失配问题，同时大幅缩小器件体积、提升集成度；

16、本发明优点之二是fteg单元采用拱门型铜导线（10）替代传统平面互连，有效分散弯曲、扭转时的形变应力，提升电连接可靠性；创新性采用离子导电水凝胶（5）封装fteg，对比硅胶封装和无封装方案，在4℃温差下输出功率提升11.5%以上，兼顾了器件柔性、结构完整性与热传导效率；

17、本发明优点之三是构建高性能cacl2交联复合离子导电水凝胶（2），结合冷冻交联与离子交联工艺，引入甘油作为增塑剂与保水剂，同时具备优异的离子导电性、柔韧性与保水性，有效提升了meg的输出稳定性与持续工作时间；

18、本发明优点之四是整体采用全柔性材料体系，可承受大幅度扭转和弯曲形变，能紧密贴合人体手臂等不规则表面，具备优异的形变适应性与长期可穿戴潜力。

1.一种柔性叠层式meg–fteg双源能量采集装置，其特征在于，包括：上层湿气发电meg单元、下层柔性热电发电fteg单元，以及设置在两者之间的eptfe隔膜；所述eptfe隔膜用于实现水汽从meg单元向fteg单元的定向传输，同时避免上下层单元间发生电学短路；所述叠层结构使meg和fteg能够在同一柔性平台上分别独立收集湿气能和热能，保持两个能量单元的独立输出，避免了由于内阻差异过大而导致的直接串联失配问题。

2.根据权利要求1所述的双源能量采集装置，其特征在于，所述meg单元包括cacl2交联的活性炭电极（1）、pva-海藻酸钠复合离子导电水凝胶（2）、开孔铝电极（3）以及eptfe隔膜（4）；

3.根据权利要求2所述的双源能量采集装置，其特征在于，所述fteg单元包括fpcb柔性基底（6）、多个p型bi2te3热电臂（7）、多个n型bi2te3热电臂（8）、底部电极层（9）和顶部拱门型铜互连层（10）；

4.根据权利要求3所述的双源能量采集装置，其特征在于，所述fteg单元还包括水凝胶封装层（5）；

5.根据权利要求1所述的双源能量采集装置，其特征在于，装置整体采用全柔性材料体系，可承受大幅度弯曲、扭转变形，能够紧密贴合人体手臂等不规则表面，具备优异的可穿戴适配性。

6.根据权利要求1-5任一项所述的双源能量采集装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、制备meg单元：将pva与去离子水混合加热溶解，加入海藻酸钠和甘油搅拌均匀，倒入模具冷冻交联，解冻后浸泡于cacl2水溶液中进行离子交联，制得离子导电水凝胶，在其上下表面分别贴合活性炭电极和开孔铝电极；s2、制备fteg单元：在fpcb柔性基底上交替排布并焊接p型和n型bi2te3热电臂，通过fpcb覆铜层实现底部电连接，采用拱门型铜导线完成顶部串联连接，随后用水凝胶进行整体封装；s3、叠层集成：在fteg单元上方铺设eptfe隔膜，再将meg单元的开孔铝下电极一侧朝下叠放于eptfe隔膜上，完成整体组装。