納米復(fù)合材料能否提升自充電池性能？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-17 14:07
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美國佐治亞理工學(xué)院的一個研究團(tuán)隊(duì)曾因制造第一款自充電能源包或電池，日前在此基礎(chǔ)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(fù)合材料，大幅提升了電池的充電效率和存儲容量。相關(guān)改進(jìn)自主充電電池的論文刊登在最新一期的《納米技術(shù)》上。
帶領(lǐng)這項(xiàng)研究的美國佐治亞理工學(xué)院、中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的王中林教授介紹，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(huán)境中的機(jī)械形變和振動，在壓電效應(yīng)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(shí)現(xiàn)能量的產(chǎn)生和儲存”在世界范圍內(nèi)引起了極大反響，其為開發(fā)新型便攜式移動電源以實(shí)現(xiàn)自供能系統(tǒng)和便攜式個人電子器件提供了全新的方法。將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，再將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的兩步過程簡化為機(jī)械能直接轉(zhuǎn)化為化學(xué)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(nèi)部。例如，將其放置于計(jì)算器的按鈕下方，通過按壓按鈕產(chǎn)生機(jī)械能，同時將機(jī)械轉(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲在電池中。研究人員設(shè)想，該電池在不久的將來可以給各種小型便攜式電子設(shè)備，如移動電話和人體健康監(jiān)測系統(tǒng)提供電源。
有別于傳統(tǒng)電池只為了儲存能量的目的，自充電電池兼顧轉(zhuǎn)換和儲存能量的功能。在常規(guī)電池里，能量轉(zhuǎn)換（例如機(jī)械能轉(zhuǎn)換至電能）的第一步幾乎總是由一個單獨(dú)的設(shè)備執(zhí)行。而自充電電池完全繞過轉(zhuǎn)換為電能的中間環(huán)節(jié)，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)化和儲存更為有效的過程。
在改變傳統(tǒng)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(dāng)在外加應(yīng)力下，用一種壓電材料產(chǎn)生電荷。這種材料之前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(fù)合材料。添加PZT后電池的性能顯著改進(jìn)，即電池的工作效率提高，存儲容量是以前的2.5倍。
該技術(shù)上的改善證明了納米復(fù)合薄膜能夠增強(qiáng)自充電電池的性能。研究人員說：“我們需要深刻認(rèn)識兩個電極的充電電化學(xué)反應(yīng)的確切進(jìn)展，以提高自充電能源包或電池的性能。”來自德國Fraunhofer太陽能系統(tǒng)研究所的Julius Schmitt等人利用18650電池在存儲過程中的容量變化和內(nèi)阻變化對NMC材料在存儲過程中的衰降模型進(jìn)行了詳細(xì)的研究，研究顯示，電池的容量衰降與時間之間呈現(xiàn)線性關(guān)系，高溫存儲會加速電池容量的衰降。
脈沖電流測試發(fā)現(xiàn)，無論是高溫還是高SoC狀態(tài)都會導(dǎo)致電池內(nèi)阻的快速增加， EIS分析顯示存儲會導(dǎo)致鋰離子電池的歐姆阻抗和極化阻抗增加，而極化阻抗增加是造成鋰離子電池內(nèi)阻增加的主要原因。此外，該研究還顯示周期性的電化學(xué)測試會顯著的增加電池的衰降速度。
