納米復(fù)合材料提升自充電池性能

美國佐治亞理工學(xué)院的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)曾因制造第一款自充電能源包或電池，榮列國際知名英國科學(xué)網(wǎng)站 《物理世界》“2012年度十大科學(xué)突破”，日前在此基礎(chǔ)上，他們通過在電池的壓電材料里添加納米顆粒形成納米復(fù)合材料，大幅提升了電池的充電效率和存儲(chǔ)容量。相關(guān)改進(jìn)自主充電電池的論文刊登在最新一期的《納米技術(shù)》上。

據(jù)了解，自充電池可以在不被插到墻上插座或其他電源的情況下，利用周圍環(huán)境中的機(jī)械形變和振動(dòng)，在壓電效應(yīng)下促使鋰離子從陰極向陽極遷移，直接為電池充電。

這種 “自充電能源包一步實(shí)現(xiàn)能量的產(chǎn)生和儲(chǔ)存”在世界范圍內(nèi)引起了極大反響，它為開發(fā)新型便攜式移動(dòng)電源以實(shí)現(xiàn)自供能系統(tǒng)和便攜式個(gè)人電子器件提供了全新的方法。將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，再將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的兩步過程簡化為機(jī)械能直接轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的一步過程，未來可能將會(huì)大大提高能源的利用效率。

自充電電池有幾百微米厚，適合置于不銹鋼扣式電池內(nèi)部。例如，將其放置于計(jì)算器的按鈕下方，通過按壓按鈕產(chǎn)生機(jī)械能，同時(shí)將機(jī)械轉(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲(chǔ)在電池中。研究人員設(shè)想，該電池在不久的將來可以給各種小型便攜式電子設(shè)備，如移動(dòng)電話和人體健康監(jiān)測系統(tǒng)提供電源。

有別于傳統(tǒng)電池只為了儲(chǔ)存能量的目的，自充電電池兼顧轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存能量的功能。在常規(guī)電池里，能量轉(zhuǎn)換（例如機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能）的第一步幾乎總是由一個(gè)單獨(dú)的設(shè)備執(zhí)行。而自充電電池完全繞過轉(zhuǎn)換為電能的中間環(huán)節(jié)，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存更為有效。

在改變傳統(tǒng)的鋰離子電池為自充電電池的過程中，研究人員更換了通常用于在鋰離子電池中分隔兩個(gè)電極的聚乙烯分離器，當(dāng)在外加應(yīng)力下，用一種壓電材料產(chǎn)生電荷。這種材料2012年的版本采用的是聚偏二氟乙烯（PVDF）薄膜。新研究對PVDF薄膜添加了鋯鈦酸鉛（PZT）納米粒子，以形成納米復(fù)合材料。添加PZT后電池的性能顯著改進(jìn)，即電池的工作效率提高，存儲(chǔ)容量是以前的2.5 倍。

研究人員解釋說，這些改進(jìn)是由于兩種機(jī)制發(fā)生作用：一是PZT誘發(fā)的幾何變形約束效應(yīng)增加了壓電潛力；二是PZT具有的多孔性結(jié)構(gòu)增大了納米復(fù)合材料孔隙數(shù)量，從而在一個(gè)小空隙間距內(nèi)增加了鋰離子穿行時(shí)傳導(dǎo)路徑的數(shù)量。這兩種機(jī)制允許更多的鋰離子從陰極遷移到陽極，從而增加電荷的總量。

該技術(shù)上的改善證明了納米復(fù)合薄膜能夠增強(qiáng)自充電電池的性能。研究人員說：“我們需要深刻認(rèn)識(shí)兩個(gè)電極的充電電化學(xué)反應(yīng)的確切進(jìn)展，以提高自充電能源包或電池的性能。”

這項(xiàng)研究的主要作者還有來自蘭州大學(xué)、中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的張巖博士和沈陽東北大學(xué)的薛欣宇博士。