(a) I den självladdande kraftcellen, det piezoelektriska materialet PVDF ersätter det konventionella separatormaterialet och fungerar som en nanogenerator inuti ett litiumjonbatteri. (b) På undersidan av en sko, kraftcellen omvandlar den tryckenergi som genereras genom att gå till kemisk energi och lagrar den utan att omvandla den till elektricitet. Bildkredit:Xue, et al. ©2012 American Chemical Society
(Phys.org) -- Teknik för förnybar energi består i allmänhet av två distinkta processer:energigenerering (med hjälp av källor som kol, sol, vind, etc.) och energilagring (som batterier). Dessa två processer utförs alltid genom två separata enheter, med den första processen som omvandlar den ursprungliga formen av energi till elektricitet, och den andra processen omvandlar elektricitet till kemisk energi. Nu för första gången, ingenjörer har visat att energi kan genereras och lagras i en enda enhet som omvandlar mekanisk energi direkt till kemisk energi, förbi det mellanliggande steget av elproduktion. Enheten fungerar i princip som en hybridgenerator-batterienhet, eller med andra ord, en självladdande kraftcell.
Forskarna, Xinyu Xue, Sihong Wang, Wenxi Guo, Yan Zhang, och Zhong Lin Wang, från Georgia Institute of Technology i Atlanta, Georgien, har publicerat sin studie om att kombinera energigenerering och lagring i en enda enhet i ett färskt nummer av Nanobokstäver .
"Detta är ett projekt som introducerar ett nytt tillvägagångssätt inom batteriteknik som är fundamentalt nytt inom vetenskapen, ” berättade Zhong Lin Wang Phys.org . ”Detta har en generell och bred tillämpning eftersom det är en enhet som inte bara skördar energi utan också lagrar den. Det behöver inte en konstant vägg jet DC-källa för att ladda batteriet. Den ska mest användas för småkörning, bärbar elektronik.”
För att tillverka den självladdande kraftcellen, forskarna började med ett litiumjonbatteri av mynttyp och bytte ut polyetenseparatorn som normalt separerar de två elektroderna med PVDF-film. Som ett piezoelektriskt material, PVDF-film genererar en laddning när den utsätts för påfrestningar. På grund av dess placering mellan batterielektroderna, PVDF-filmen får positiva Li-joner att migrera från katoden till anoden för att upprätthålla en laddningsjämvikt över batteriet. Denna jonmigreringsprocess laddar batteriet utan behov av någon extern spänningskälla; eftersom PVDF-separatorn tillhandahåller spänningen, eller potentialskillnad mellan elektroderna, batteriet är i princip självladdande.
En tvärsnittsbild av ett svepelektronmikroskop av den självladdande kraftcellen (vänster), och den förstorade TiO2 nanorörsanoden (höger). Bildkredit:Xue, et al. ©2012 American Chemical Society
För att belasta separatorn, forskarna fäste det myntstora batteriet på undersidan av en sko, och fann att promenader kunde generera tillräckligt med tryckenergi för att ladda batteriet. En tryckkraft med en frekvens på 2,3 Hz kan öka enhetens spänning från 327 till 395 mV på 4 minuter. Denna ökning på 65 mV är betydligt högre än ökningen på 10 mV när kraftcellen separerades i en PVDF piezoelektrisk generator och ett Li-jonbatteri med den konventionella polyetenseparatorn. Förbättringen visar att det är mycket effektivare att uppnå en mekanisk-till-kemisk energiomvandling i ett steg än den mekaniska-till-elektriska och elektrisk-till-kemiska tvåstegsprocess som används för att ladda ett traditionellt batteri.
När den nya jämvikten mellan elektroderna har uppnåtts, självladdningsprocessen upphör. Cellen kan börja leverera ström efter att den applicerade spänningen släppts, eftersom det piezoelektriska fältet försvinner och Li-jonerna kan diffundera tillbaka från anoden till katoden för att nå en ny jämvikt. Som i ett konventionellt Li-ion batteri, jondiffusion involverar elektrokemiska reduktions-oxidationsreaktioner, som här genererar en ström på cirka 1 μA som kan användas för att driva en liten elektronisk enhet.
"Li-jonerna kommer inte att flöda tillbaka omedelbart efter att den applicerade spänningen har tagits bort eftersom den bildar en ny förening med anodmaterialet (LiTiO), ” sa Zhong Lin Wang. ”Laddningarna bevaras som i ett konventionellt batteri. De släpps vid ett senare tillfälle när ström krävs."
Även om dessa spänningar och strömmar är låga, forskarna visade att kraftcellen också kan självladda med högre spänningar på cirka 1,5 V, vilket skulle kunna göra det användbart för ett bredare spektrum av applikationer. Forskarna förutspår att de ytterligare kan förbättra kraftcellens prestanda genom att göra flera modifieringar, såsom genom att använda flexibelt hölje för att möjliggöra större deformation av det piezoelektriska materialet.
Copyright 2012 Phys.org
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.
