Selvoplader batteri både genererer og lagrer energi

(Phys.org) -- Vedvarende energiteknologier består generelt af to adskilte processer:energiproduktion (ved brug af kilder som kul, sol, vind, osv.) og energilagring (såsom batterier). Disse to processer udføres altid gennem to separate enheder, med den første proces, der konverterer den oprindelige form for energi til elektricitet, og den anden proces, der omdanner elektricitet til kemisk energi. Nu for første gang, ingeniører har vist, at energi kan genereres og lagres i en enkelt enhed, der omdanner mekanisk energi direkte til kemisk energi, omgå det mellemliggende trin i elproduktionen. Enheden fungerer grundlæggende som en hybrid generator-batterienhed, eller med andre ord, en selvopladende strømcelle.

Forskerne, Xinyu Xue, Sihong Wang, Wenxi Guo, Yan Zhang, og Zhong Lin Wang, fra Georgia Institute of Technology i Atlanta, Georgien, har offentliggjort deres undersøgelse om at kombinere energiproduktion og -lagring i en enkelt enhed i et nyligt nummer af Nano bogstaver .

"Dette er et projekt, der introducerer en ny tilgang inden for batteriteknologi, som er fundamentalt ny inden for videnskaben, ” fortalte Zhong Lin Wang Phys.org . "Dette har en generel og bred anvendelse, fordi det er en enhed, der ikke kun høster energi, men også lagrer den. Det behøver ikke en konstant væg jet DC-kilde for at oplade batteriet. Den skal mest bruges til at køre små, bærbar elektronik. ”

For at fremstille den selvopladede strømcelle, forskerne startede med et mønt-type Li-ion batteri og erstattede polyethylen separatoren, der normalt adskiller de to elektroder med PVDF film. Som et piezoelektrisk materiale, PVDF-film genererer en ladning under en påført belastning. På grund af dens placering mellem batterielektroderne, PVDF-filmen får positive Li-ioner til at migrere fra katoden til anoden for at opretholde en ladningsligevægt over batteriet. Denne ionmigreringsproces oplader batteriet uden behov for nogen ekstern spændingskilde; da PVDF-separatoren leverer spændingen, eller potentialforskel mellem elektroder, batteriet er stort set selvoplader.

For at påføre en belastning på separatoren, forskerne fastgjorde det møntstore batteri til bunden af ​​en sko, og fandt ud af, at gang kunne generere nok kompressionsenergi til at oplade batteriet. En trykkraft med en frekvens på 2,3 Hz kunne øge enhedens spænding fra 327 til 395 mV på 4 minutter. Denne stigning på 65 mV er væsentligt højere end den stigning på 10 mV, det tog, da strømcellen blev adskilt i en PVDF piezoelektrisk generator og Li-ion batteri med den konventionelle polyethylen separator. Forbedringen viser, at opnåelse af en mekanisk-til-kemisk energiomdannelse i ét trin er meget mere effektiv end den mekanisk-til-elektriske og elektrisk-til-kemiske to-trins proces, der bruges til at oplade et traditionelt batteri.

Når den nye ligevægt mellem elektroderne er nået, selvopladningsprocessen ophører. Cellen kan begynde at levere strøm, efter at den påførte spænding er frigivet, da det piezoelektriske felt forsvinder og Li-ionerne kan diffundere tilbage fra anoden til katoden for at nå en ny ligevægt. Som i et konventionelt Li-ion batteri, iondiffusion involverer elektrokemiske reduktion-oxidationsreaktioner, som her genererer en strøm på omkring 1 μA, der kan bruges til at drive en lille elektronisk enhed.

"Li-ionerne vil ikke flyde tilbage umiddelbart efter at den påførte spænding er fjernet, fordi den danner en ny forbindelse med anodematerialet (LiTiO), ” sagde Zhong Lin Wang. “Ladningerne bevares som i et konventionelt batteri. De frigives på et senere tidspunkt, når der kræves strøm."

Selvom disse spændinger og strømme er lave, forskerne viste, at strømcellen også kan selvoplade med højere spændinger på omkring 1,5 V, hvilket kunne gøre det nyttigt til en bredere vifte af applikationer. Forskerne forudser, at de yderligere kan forbedre strømcellens ydeevne ved at foretage flere modifikationer, såsom ved at bruge fleksibelt hus for at tillade større deformation af det piezoelektriske materiale.

Copyright 2012 Phys.org
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omdistribueret helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.