作者:王中林等 来源:《纳米快报》 发布时间:2012-8-13 17:32:02
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自充电能量单元集能量转化与储存为一体

    图一:自充电能量单元的设计,实施和应用。这种把从机械能转为电能,再把电能储存为化学能的两步走的过程直接换为从机械能转到化学能的一步跨越式过程可以大大提高能源的总利用效率。

在当今世界性能源危机的形势下,寻找绿色能源和可再生能源以取代传统能源,已成为最重要的研究领域,影响着人类社会的进步发展。其中,能源转化技术和能源储存技术是解决能源问题的两大最核心技术。能源转化技术用于将不同形式的可再生能源,如太阳能、热能、化学能和机械能,通过不同的机制转化成电能为人们所应用。另一方面,能源储存技术可以将获得的电能用一定的装置储存起来,以达到在更加可控与灵活的电能使用,例如能够将电能以化学能的形式储存起来的锂离子电池。在现有的科技下,这两大技术通常是基于分立的器件单元和不同的途径来实现的。以机械能的转化和储存为例,通常需要两个分离的器件单元分别实现将机械能转化为电能和将电能以化学能储存起来。
 
最近,在王中林教授的领导下,薛欣宇和王思泓组成的研究小组首次报道了一种全新的机制,将能量转化和储存这两个过程融合为一个过程,也就是说机械能在转化的同时就以化学能的形式储存了下来。这是通过巧妙的器件设计,将纳米发电机和锂离子电池融合为一个独立的器件单元——自充电能量单元(Self-Charging Power Cell)——来实现的。这一自充电能量单元可以利用环境中的机械形变和振动直接实现充电。这一研究成果近期已发表在《纳米快报》(Nano Letters)上。
 
自充电能量单元的器件结构设计是基于锂离子电池的基本结构(阳极,隔膜,阴极和电解液),而将其中传统的聚乙烯(PE)隔膜用具有压电效应的偏聚二氟乙烯(PVDF)薄膜来代替。在外力的作用下,PVDF隔膜会产生纵向的压缩应变,进而使得具有合适极化方向的PVDF薄膜产生从阴极指向阳极的压电电场。在这一压电电场的驱动下,电解液中的锂离子会从阴极附近迁移至阳极,以屏蔽体系中的压电电场。这会改变阴阳两极附近的电解液中的锂离子浓度,进而打破两处的氧化还原化学反应平衡,使得电池充电反应得以发生。和利用直流电源将电子经过外电路从阴极送往阳极的传统电池充电方式相比,自充电能量单元是在机械作用导致的压电电场的作用下,在体系内部驱动锂离子运动引发充电反应。
 
实验结果表明,在2.3Hz的周期性撞击的作用下,该自充电能量单元的电压可在4分钟内升高约68mV,所充电量可用1µA的电流放电达130秒。经过比较,在这一全新的机械-电化学过程下,该自充电能量单元的能量转化和储存的总效率是相同条件下传统分立器件模式的数倍。这一全新能量转化和储存机制的提出,为驱动个人电子产品和自驱动系统提供了新的能源技术。(来源:科学网)
 
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