日前，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在電池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)帶頭進(jìn)行這項(xiàng)研究的美國(guó)佐治亞理工學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林教授介紹，自充電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(yáng)極遷移，直接實(shí)現(xiàn)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，其為開(kāi)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。
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。研究人員設(shè)想，該電池在不久的將來(lái)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(cè)系統(tǒng)提供電源。
在改變傳統(tǒng)的鋰離子電池為自充電電池的過(guò)程中，研究人員更換了通常用于在鋰電池中分隔兩個(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(duì)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(shuō)，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(yáng)極，從而增加電荷的總量。
來(lái)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(yáng)東北大學(xué)的薛欣宇博士也參與了這項(xiàng)研究。