自充電電池

自充電電池將能量轉換和能量存儲兩個過程通過單一獨立的器件融合在一個過程里實現，可以直接利用環境中的機械形變與振動實現自充電過程，即直接將機械能轉換成電能並以化學能的形式存儲。

基本介紹

• 中文名：自充電電池
• 外文名：Self charged battery
• 原理：機械能轉化電能
• 過程：能量轉換和能量存儲

簡介

自充電電池的結構設計是在鋰離子電池的基本結構(包括正極、隔膜、負極與電解液)的基礎之上，使用具有壓電效應的偏聚二氟乙烯(PVDF)膜取代鋰離子電池中聚乙烯(PE)膜作為自充電電池的隔膜。極化過後的PVDF膜具有良好的壓電效應，當它受到外部的壓力的時候，PVDF膜在垂直的方向上會發生壓縮性交，這使得在PVDF的厚度方向上會產生了一個由正極指向負極的壓電電場。在該壓電電場的作用下，電解液中的鋰離子則會從電池的正極附近通過PVDF膜移動到負極附近，來禁止壓電電場。鋰離子的移動改變了電解液中鋰離子的均勻分布，破壞了電池正負極處的氧化還原反應的平衡，通過這種壓電電化學過程實現電池的自充電反應。

結構

自充電電池將能量轉換和能量存儲兩個過程通過單一獨立的器件融合在一個過程里實現，可以直接利用環境中的機械形變與振動實現自充電過程，即直接將機械能轉換成電能並以化學能的形式存儲。自充電電池的設計是在普通的鋰離子電池基本結構的基礎上，使用具有壓電效應的PVDF薄膜取代傳統的PE電池隔膜，它的主要結構包括了正極、壓電隔膜、負極、電解液和電池殼。

自充電電池

(1)正極

與普通的鋰離子電池相同，自充電電池的正極通常是將正極材料、導電碳、粘結劑的混合材料塗覆在鋁箔上得到的。正極材料是鋰離子的嵌入化合物，當電池在充電過程中時，鋰離子會從正極材料中脫出，進入到電解液里：而在電池放電過程中，電解液中的鋰離子則會嵌入到正極材料中。

(2)壓電隔膜

自充電電池與普通鋰離子電池結構不同之處主要在於使用PVDF壓電隔膜取代了PE隔膜。壓電隔膜存在於自充電電池中有兩個作用，包括充當電池的隔膜和進行能量的轉換，目前使用的壓電隔膜是經過充分極化過的PVDF薄膜。一方面，PVDF薄膜既是鋰離子的導體也是電子的絕緣體，因此PVDF處於電池的正負極之間時可以防止電池短路，並允許鋰離子在電池的正負極之間移動。另一方面，經過充分極化過的PVDF薄膜具有了壓電效應，當它受到外部的壓力時，會在它的厚度方向上產生壓電電場，因此PVDF壓電隔膜可以實現從機械能到電能的轉換。

(3)負極

自充電電池的負極同樣與鋰離子電池負極相同，通常是將負極材料、導電碳和粘結劑的混合材料塗覆在銅箔上得到的。在電池充電時，鋰離子會從電解液嵌入到電池的負極材料里，而在電池放電時，鋰離子則會從負極材料里脫出，進入到電解液中。目前有關負極儲鋰材料的研究有很多，主要包括：碳材料、納米氧化物材料、新型合金等。

(4)電解液與電池殼

自充電電池電解質包括液體電解質、凝膠型聚合物電解質和全固體電解質三種。目前在自充電電池中使用的是液體電解質，該液體電解質是LiPF6的乙烯碳酸脂(EC)、丙烯碳酸脂(PC)和低粘度二乙基碳酸脂(DEC)等烷基碳酸脂搭配的混合溶液體系。

原理

對於自充電電池來說，充電過程可以有兩種模式。一種是像普通的鋰離子電池～樣的傳統的充電方式，即在電池的兩個電極之間外加直流電源進行充電，將電能轉換成化學能存儲在電池中。另外一種充電模式就是自充電過程，即通過外加壓力的方式對電池進行充電，當自充電電池受到外部壓力時，PVDF會產生壓電電場，通過這種方式將機械能轉換成電能，同時以化學能的方式存儲在電池當中。

自充電電池

使用外部的直流電源進行充電時，自充電電池的工作原理與普通的鋰離子電池原理是相同的。當電池的兩極之間外加了直流電源時，電池開始充電過程，鋰離子從正極材料當中脫出進入到電解液中，而在外部電流的作用下，電解液中的鋰離子會穿過PVDF隔膜移動到負極並嵌入到負極材料中，此時，電能就被轉換成化學能存儲了起來。使用外部的直流電源進行充電時。PVDF壓電隔膜與普通鋰離子電池中使用的PE隔膜具有完全相同的作用。

自充電電池成功的將納米發電機與鋰離子電池集成在同一個器件單元當中，在受到外部壓力時可以將機械能轉換成電能，並以化學能的形式存儲在電池中，實現能量轉換與能量存儲過程的二合一，在這個過程中，PVDF壓電隔膜不僅充當了普通電池中的隔膜，還可以將機械能轉換成電能。

技術特點

加熱和冷卻均可以給這種新型電池充電。在論文實驗驗證的例子中，使用時，先在20攝氏度的室溫下放電，然後將電池加熱到60攝氏度，加熱過程相當於給電池充電。該電池特殊之處在於，此時需維持在60攝氏度，電池才能繼續放電。放完電後降溫充電，回到20攝氏度室溫後又可以再次使用。

楊遠說，製造電池兩個電極的材料都很便宜，分別是藍色染料普魯士藍以及鐵氰化鉀和亞鐵氰化鉀。他說，這種電池在100攝氏度的熱源環境中使用，包括工廠廢熱、地熱和陽光引起的溫度變化等，其轉化效率為1%至2%，接近於同樣溫度範圍內熱電材料的轉化效率。

納米材料電極

1．納米材料表面和界面原子所占比例大，具有比塊體材料更高的電化學活性；很多在塊體時的不能與鋰離子發生可逆的脫嵌反應，尺寸降到納米量級後，成為有潛力的儲鋰電極材料；

2．材料粒徑小，鋰離子在材料中脫嵌鋰路程短，有利於材料進行快速充放電；

3．比表面積大，提高了活性材料與電解液的接觸；納米材料表面由大量各向異性的界面組成，脫嵌鋰過程中，界面反應位置多；在相同的外部電流下，納米材料具有更小的真實電流密度，從而有助於減小極化現象；

4．高空隙率，為有機溶劑分子提供了更大的自由空間，同時也給鋰離子的脫嵌提供了大量的空間，提高了材料比容量和能量密度； ’

5．很強的結構柔韌性(相對於塊體材料)，可以承受脫嵌鋰過程中產生的形變和應力，有效地降低了循環過程中材料的破碎，提高了電池的循環性能。