美國佐治亞理工學(xué)院的一個(gè)研究團隊曾因制造第一款自充電能源包或電池，榮列國際知名英國科學(xué)網(wǎng)站《物理世界》“2012年度十大科學(xué)突破”，日前在此基礎上，他們通過(guò)在電池的壓電材料里添加納米顆粒形成納米復合材料，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研究所的王中林教授2月25日介紹，它可以在不被插到墻上插座或其他電源的情況下，利用周?chē)h(huán)境中的機械形變和振動(dòng)，在壓電效應下促使鋰離子從陰極向陽(yáng)極遷移，直接為電池充電。

這種“自充電能源包一步實(shí)現能量的產(chǎn)生和儲存”在世界范圍內引起了極大反響，其為開(kāi)發(fā)新型便攜式移動(dòng)電源以實(shí)現自供能系統和便攜式個(gè)人電子器件提供了全新的方法。將機械能轉化為電能，再將電能轉化為化學(xué)能的兩步過(guò)程簡(jiǎn)化為機械能直接轉化為化學(xué)能的一步過(guò)程，未來(lái)可能將會(huì )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部。例如，將其放置于計算器的按鈕下方，通過(guò)按壓按鈕產(chǎn)生機械能，同時(shí)將機械轉化為化學(xué)能存儲在電池中。研究人員設想，該電池在不久的將來(lái)可以給各種小型便攜式電子設備，如移動(dòng)電話(huà)和人體健康監測系統提供電源。

有別于傳統電池只為了儲存能量的目的，自充電電池兼顧轉換和儲存能量的功能。在常規電池里，能量轉換（例如機械能轉換至電能）的第一步幾乎總是由一個(gè)單獨的設備執行。而自充電電池完全繞過(guò)轉換為電能的中間環(huán)節，從而導致轉化和儲存更為有效的過(guò)程。

在改變傳統的鋰離子電池為自充電電池的過(guò)程中，研究人員更換了通常用于在鋰離子電池中分隔兩個(gè)電極的聚乙烯分離器，當在外加應力下，用一種壓電材料產(chǎn)生電荷。這種材料2012年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，以形成納米復合材料。添加PZT后電池的性能顯著(zhù)改進(jìn)，即電池的工作效率提高，存儲容量是以前的2.5倍。

研究人員解釋說(shuō)，這些改進(jìn)是由于兩種機制發(fā)生作用：一是PZT誘發(fā)的幾何變形約束效應增加了壓電潛力；二是PZT具有的多孔性結構增大了納米復合材料孔隙數量，從而在一個(gè)小空隙間距內增加了鋰離子穿行時(shí)傳導路徑的數量。這兩種機制允許更多的鋰離子從陰極遷移到陽(yáng)極，從而增加電荷的總量。

該技術(shù)上的改善證明了納米復合薄膜能夠增強自充電電池的性能。研究人員說(shuō)：“我們需要深刻認識兩個(gè)電極的充電電化學(xué)反應的確切進(jìn)展，以提高自充電能源包或電池的性能?！?/SPAN>

這項研究的主要作者還有來(lái)自蘭州大學(xué)、中科院北京納米能源與系統研究所的張巖博士和沈陽(yáng)東北大學(xué)的薛欣宇博士。