基于摩擦起电效应的自充电锂离子电池

能量储存和转换是可再生新能源系统中的两个关键技术。其通常是通过不同且独立的设备实现的。作为能量储存设备的锂离子电池来讲,是通过锂离子在正负极间的迁移的电化学反应而将电能转化为化学能。然而,由于其有限的容量,锂离子电池必需周期性的更换或通过外接电源充电以保证电子器件的正常运行。尤其是在未通电的偏远地区运行的电子器件,更换电池或充电会造成人力和财力的极大浪费。在能量转换方面,清洁能源已成为目前全球关注的热点,研究人员已研发了将太阳能、热能、机械能等能量转换为电能的能量转换器件。而在诸多的能量转换器件中,基于摩擦电效应的纳米发电机可实现机械能的有效收集引起了众多科学家的广泛关注。

目前,研究的纳米发电机大多数为发电与能量储存是分离实现的,主要是用纳米发电机进行发电,然后再将能量储存到外电路的电池或电容器实现能量储存的目的。而基于摩擦发电机的自充电锂离子电池尚未有报道。为解决锂离子电池可持续供电的问题。开发可收集和储存电能的自充电锂离子电池对自供电微纳器件具有重要的意义。

中科院北京纳米能源与系统研究所杨亚课题组赵坤博士等人在杨亚研究员和王中林院士的指导下巧妙地设计了一种基于摩擦纳米发电机的自充电锂离子电池,并对它的性能进行了详细的分析。首先通过静电纺丝与高温煅烧相结合的方法制备了锂离子电池的正极材料锰酸锂和负极材料碳纳米线,并通过柔性包装材料进行封装,制备出了在弯曲和折叠条件下具有稳定性能的柔性锂离子电池。然后将锂离子电池作为摩擦纳米发电机的极板,通过与柔性的氟化乙烯丙烯共聚物振动膜相结合设计了收集风能的摩擦纳米发电机。整个系统利用摩擦起电效应和静电感应效应,采用接触-分离式结构设计,当发电机工作时在振动膜和锂离子电池封装材料表面之间产生两种不同性质的电荷,同时由静电感应效应在锂离子电池负极上感应出电荷,并通过锂离子电池负极输出信号,信号经变压、整流后可以实现直接给锂离子电池充电。当风速为10 m/s时,摩擦纳米发电机可输出开路电压为200 V,短路电流为25 µA的交流电信号,信号经变压和整流后仅需3 min就可以将电池电压充至3.5 V。更加重要的是,当顶端电池充满电后可通过开关控制直接切换成给底端锂离子电池充电,保证了微小电子器件长时间、不间断的运行。

总之,此文设计的基于摩擦电效应的自充电锂离子电池具有环境友好、结构简单,成本低,可在偏远地区连续运行的特点,完美的实现了能量的收集和储存。为开发下一代自充电的锂离子电池提供了新思路。相关论文在线发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201700103)上。