用具有壓電效應的PVDF膜取代PE膜研究鋰電池功能融合
2014-04-14 19:46:22
admin
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據東北大學(xué)新聞網(wǎng)2013年3月21日訊 我校理學(xué)院教師薛欣宇與美國佐治亞理工學(xué)院王中林教授研究組合作，首次報道了一種全新的機制，將能量轉化和儲存這兩個(gè)過(guò)程融合為一個(gè)過(guò)程。這一研究成果在世界范圍內引起了極大反響，榮登國際知名的英國科學(xué)網(wǎng)站《物理世界》“2012年度物理學(xué)十大突破”。并被多家媒體報道，如美國有線(xiàn)電視新聞網(wǎng)（CNN）、《中國日報》、《中國科學(xué)報》、中國科學(xué)院網(wǎng)、科學(xué)網(wǎng)等。
在當今世界性能源危機的形勢下，尋找綠色能源和可再生能源以取代傳統能源，已成為*重要的研究領(lǐng)域，影響著(zhù)人類(lèi)社會(huì )的進(jìn)步發(fā)展。其中，能源轉化技術(shù)和能源儲存技術(shù)是解決能源問(wèn)題的兩大*核心技術(shù)。能源轉化技術(shù)用于將不同形式的可再生能源，如太陽(yáng)能、熱能、化學(xué)能和機械能，通過(guò)不同的機制轉化成電能為人們所應用。另一方面，能源儲存技術(shù)可以將獲得的電能用一定的裝置儲存起來(lái)，以達到在更加可控與靈活的電能使用，例如能夠將電能以化學(xué)能的形式儲存起來(lái)的鋰離子電池。在現有的科技下，這兩大技術(shù)通常是基于分立的器件單元和不同的途徑來(lái)實(shí)現的。以機械能的轉化和儲存為例，通常需要兩個(gè)分離的器件單元分別實(shí)現將機械能轉化為電能和將電能以化學(xué)能儲存起來(lái)。
本研究是通過(guò)巧妙的器件設計，將納米發(fā)電機和鋰離子電池融合為一個(gè)獨立的器件單元——自充電能量單元（Self-Charging Power Cell）——來(lái)實(shí)現的。這一自充電能量單元可以利用環(huán)境中的機械形變和振動(dòng)直接實(shí)現充電。
自充電能量單元的器件結構設計是基于鋰離子電池的基本結構（陽(yáng)極，隔膜，陰極和電解液），而將其中傳統的聚乙烯（PE）隔膜用具有壓電效應的偏聚二氟乙烯（PVDF）薄膜來(lái)代替。在外力的作用下，PVDF隔膜會(huì )產(chǎn)生縱向的壓縮應變，進(jìn)而使得具有合適極化方向的PVDF薄膜產(chǎn)生從陰極指向陽(yáng)極的壓電電場(chǎng)。在這一壓電電場(chǎng)的驅動(dòng)下，電解液中的鋰離子會(huì )從陰極附近遷移至陽(yáng)極，以屏蔽體系中的壓電電場(chǎng)。這會(huì )改變陰陽(yáng)兩極附近的電解液中的鋰離子濃度，進(jìn)而打破兩處的氧化還原化學(xué)反應平衡，使得電池充電反應得以發(fā)生。和利用直流電源將電子經(jīng)過(guò)外電路從陰極送往陽(yáng)極的傳統電池充電方式相比，自充電能量單元是在機械作用導致的壓電電場(chǎng)的作用下，在體系內部驅動(dòng)鋰離子運動(dòng)引發(fā)充電反應。
實(shí)驗結果表明，在2.3Hz的周期性撞擊的作用下，該自充電能量單元的電壓可在4分鐘內升高約68mV，所充電量可用1µA的電流放電達130秒。經(jīng)過(guò)比較，在這一全新的機械－電化學(xué)過(guò)程下，該自充電能量單元的能量轉化和儲存的總效率是相同條件下傳統分立器件模式的數倍。這一全新能量轉化和儲存機制的提出，為驅動(dòng)個(gè)人電子產(chǎn)品和自驅動(dòng)系統提供了新的能源技術(shù)。這一研究成果近期已發(fā)表在《納米快報》（Nano Letters）上。
薛欣宇副教授2008年來(lái)我校理學(xué)院任教，組建納米物理與器件研究組。近五年來(lái)，薛欣宇副教授研究組主持國家自然科學(xué)基金項目2項、省部級基金項目5項。近五年來(lái)，在國際高水平SCI學(xué)術(shù)期刊發(fā)表研究論文25篇，其中JCR一區論文20篇，包括在Nano Letters（影響因子13.198）發(fā)表2篇，在Chemical Communications（影響因子6.169）發(fā)表2篇。文章被引用次數達到954次，在國際同行學(xué)者中獲得了很高的學(xué)術(shù)聲譽(yù)。