納米復合材料可提升自充電電池性能

    科美國佐治亞理工學院的一個研究團隊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網站《物理世界》“2012年度十大科學突破”，日前在此基礎上，他們通過在電池的壓電材料里添加納米顆粒形成納米復合材料，大幅提升了電池的充電效率和存儲容量。相關改進自主充電電池的論文刊登在最新一期的《納米技術》上。
    帶領這項研究的美國佐治亞理工學院、中國科學院北京納米能源與系統研究所的王中林教授2月25日介紹，它可以在不被插到墻上插座或其他電源的情況下，利用周圍環境中的機械形變和振動，在壓電效應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現能量的產生和儲存”在世界范圍內引起了極大反響，其為開發新型便攜式移動電源以實現自供能系統和便攜式個人電子器件提供了全新的方法。將機械能轉化為電能，再將電能轉化為化學能的兩步過程簡化為機械能直接轉化為化學能的一步過程，未來可能將會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部。例如，將其放置于計算器的按鈕下方，通過按壓按鈕產生機械能，同時將機械轉化為化學能存儲在電池中。研究人員設想，該電池在不久的將來可以給各種小型便攜式電子設備，如移動電話和人體健康監測系統提供電源。
    有別于傳統電池只為了儲存能量的目的，自充電電池兼顧轉換和儲存能量的功能。在常規電池里，能量轉換（例如機械能轉換至電能）的第一步幾乎總是由一個單獨的設備執行。而自充電電池完全繞過轉換為電能的中間環節，從而導致轉化和儲存更為有效的過程。
    在改變傳統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電極的聚乙烯分離器，當在外加應力下，用一種壓電材料產生電荷。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，以形成納米復合材料。添加PZT后電池的性能顯著改進，即電池的工作效率提高，存儲容量是以前的2.5倍。
    研究人員解釋說，這些改進是由于兩種機制發生作用：一是PZT誘發的幾何變形約束效應增加了壓電潛力；二是PZT具有的多孔性結構增大了納米復合材料孔隙數量，從而在一個小空隙間距內增加了鋰離子穿行時傳導路徑的數量。這兩種機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。
    該技術上的改善證明了納米復合薄膜能夠增強自充電電池的性能。研究人員說：“我們需要深刻認識兩個電極的充電電化學反應的確切進展，以提高自充電能源包或電池的性能。”
    這項研究的主要作者還有來自蘭州大學、中科院北京納米能源與系統研究所的張巖博士和沈陽東北大學的薛欣宇博士。