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自我充電的電池能產生與儲存能量

2012/08/31 | | 標籤:

再生能源技術通常包含二種截然不同的過程:能量產生(利用煤、太陽、風等等。)與能量儲存(例如電池)。這種二種過程總是透過二個不同的單元(unit,裝置)完成,第一種過程將原本的能量形態轉換成電,而第二種過程將電轉換成化學能。現在,工程師首度證明,可在單一裝置內產生與儲存能量,那直接將機械能轉換成化學能,繞過中間電力產生的步驟。此裝置基本上作用如同一個混合式發電–電池裝置,或換句話說,一個「自我充電的電池(self-charging power cell)」。

研究者,來自喬治亞州亞特蘭大,喬治亞理工學院的 Xinyu Xue、Sihong Wang、Wenxi Guo、Yan Zhang 以及 Zhong Lin Wang,已將其研究-於單一裝置內結合能量產生與儲存,發表在最近一期的《Nano Letters》上。

「這是一項計畫,在電池技術中引入新方法,在科學上,那是全新的,」Zhong Lin Wang 表示。「這具有一般且廣泛的應用,因為那是一種不僅能收成能量還能將之儲存的裝置。那不需要一個固定插在牆上的 DC 電源為電池充電,那大多數用來驅動小型、可攜的電子裝置。」

為製造自我充電的電池,研究者從硬幣型鋰離子電池開始,將一般用來分離二電極的聚乙烯(PE)隔離膜替換成聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜。身為一種壓電(piezoelectric)材料,施加壓力時 PVDF 薄膜會產生電荷。因其位置介於電池二電池間,PVDF 薄膜會導致帶正電的鋰離子從陰極遷移到陽極,以維持整個電池的電荷相等。這種離子遷移過程,在不需要任何外部電壓源的情況下,改變了電池;因為 PVDF 隔離膜提供電壓,或二電極間的勢能差異,這電池本質上是自我充電的。

為了要對隔離膜施壓,研究者將硬幣大小的電池裝在鞋底,並發現走動就足以產生足夠的壓縮能替電池充電。頻率 2.3 Hz 的壓縮力,可在 4 分鐘內使裝置的電壓從 327 增加到 395 mV。增加 65 mV 顯然比傳統設置的 10 mV 更高,在傳統設置中,電池被分離成 PVDF 壓電發電機與具有傳統 PE 隔離膜的鋰離子電池。這樣的改善證明在一個步驟內達到「機械能至化學能」的轉換,比「機械能至電能」以及「電能至化學能」這種用來替傳統電池充電的二階段過程更有效率。

一旦達到電極間的新平衡,自我充電過程即終止。當所施加的壓力釋放後,電池開始供電,因壓電場(piezoelectric field)消失,而鋰離子能從陽極擴散回陰極,以達到新的平衡。一如在傳統的鋰離子電池中,離子擴散涉及電化學的還原/氧化反應,那在這裡產生約 1 μA 的電流,能供電給小型電子裝置。

「在所施的壓力移除後,鋰離子並不會立刻回流,因為它與陽極材料形成新的化合物(LiTiO),」Zhong Lin Wang 說。「電荷的保存與傳統的電池一樣。之後需要電力時,它們才釋出。」

雖然這些電壓與電流很低,不過研究者證明,電池也能以更高的電壓(約 1.5 V)自我充電,那使得它適用在更廣泛的應用中。研究者預測,透過數種修改(例如使用彈性外殼,藉此使壓電材料的變形更大),他們能更進一步改善電池效能。

資料來源:Self-charging battery both generates and stores energy. phys.org [August 17, 2012]

轉載自 only perception

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