纳米复合材料可提升自充电池性能 存储容量达2.5倍

2014-2-27 09:52 来源: 中国科技网-科技日报
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  美国佐治亚理工学院的一个研究团队曾因制造第一款自充电能源包或电池,荣列国际知名英国科学网站《物理世界》“2012年度十大科学突破”,日前在此基础上,他们通过在电池的压电材料里添加纳米颗粒形成纳米复合材料,大幅提升了电池的充电效率和存储容量。相关改进自主充电电池的论文刊登在最新一期的《纳米技术》上。

  带领这项研究的美国佐治亚理工学院、中国科学院北京纳米能源与系统研究所的王中林教授2月25日介绍,它可以在不被插到墙上插座或其他电源的情况下,利用周围环境中的机械形变和振动,在压电效应下促使锂离子从阴极向阳极迁移,直接为电池充电。

  这种“自充电能源包一步实现能量的产生和储存”在世界范围内引起了极大反响,其为开发新型便携式移动电源以实现自供能系统和便携式个人电子器件提供了全新的方法。将机械能转化为电能,再将电能转化为化学能的两步过程简化为机械能直接转化为化学能的一步过程,未来可能将会大大提高能源的利用效率。

  自充电电池有几百微米厚,适合置于不锈钢扣式电池内部。例如,将其放置于计算器的按钮下方,通过按压按钮产生机械能,同时将机械转化为化学能存储在电池中。研究人员设想,该电池在不久的将来可以给各种小型便携式电子设备,如移动电话和人体健康监测系统提供电源。

  有别于传统电池只为了储存能量的目的,自充电电池兼顾转换和储存能量的功能。在常规电池里,能量转换(例如机械能转换至电能)的第一步几乎总是由一个单独的设备执行。而自充电电池完全绕过转换为电能的中间环节,从而导致转化和储存更为有效的过程。

  在改变传统的锂离子电池为自充电电池的过程中,研究人员更换了通常用于在锂离子电池中分隔两个电极的聚乙烯分离器,当在外加应力下,用一种压电材料产生电荷。这种材料2012年的版本采用的是聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜。新研究对PVDF薄膜添加了锆钛酸铅(PZT)纳米粒子,以形成纳米复合材料。添加PZT后电池的性能显著改进,即电池的工作效率提高,存储容量是以前的2.5倍。

  研究人员解释说,这些改进是由于两种机制发生作用:一是PZT诱发的几何变形约束效应增加了压电潜力;二是PZT具有的多孔性结构增大了纳米复合材料孔隙数量,从而在一个小空隙间距内增加了锂离子穿行时传导路径的数量。这两种机制允许更多的锂离子从阴极迁移到阳极,从而增加电荷的总量。

  该技术上的改善证明了纳米复合薄膜能够增强自充电电池的性能。研究人员说:“我们需要深刻认识两个电极的充电电化学反应的确切进展,以提高自充电能源包或电池的性能。”

  这项研究的主要作者还有来自兰州大学、中科院北京纳米能源与系统研究所的张岩博士和沈阳东北大学的薛欣宇博士。