用具有壓電效應(yīng)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(jù)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(bào)道了一種全新的機(jī)制，將能量轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存這兩個(gè)過程融合為一個(gè)過程。這一研究成果在世界范圍內(nèi)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(bào)道，如美國有線電視新聞網(wǎng)（CNN）、《中國日?qǐng)?bào)》、《中國科學(xué)報(bào)》、中國科學(xué)院網(wǎng)、科學(xué)網(wǎng)等。
在當(dāng)今世界性能源危機(jī)的形勢下，尋找綠色能源和可再生能源以取代傳統(tǒng)能源，已成為*重要的研究領(lǐng)域，影響著人類社會(huì)的進(jìn)步發(fā)展。其中，能源轉(zhuǎn)化技術(shù)和能源儲(chǔ)存技術(shù)是解決能源問題的兩大*核心技術(shù)。能源轉(zhuǎn)化技術(shù)用于將不同形式的可再生能源，如太陽能、熱能、化學(xué)能和機(jī)械能，通過不同的機(jī)制轉(zhuǎn)化成電能為人們所應(yīng)用。另一方面，能源儲(chǔ)存技術(shù)可以將獲得的電能用一定的裝置儲(chǔ)存起來，以達(dá)到在更加可控與靈活的電能使用，例如能夠?qū)㈦娔芤曰瘜W(xué)能的形式儲(chǔ)存起來的鋰離子電池。在現(xiàn)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實(shí)現(xiàn)的。以機(jī)械能的轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存為例，通常需要兩個(gè)分離的器件單元分別實(shí)現(xiàn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能和將電能以化學(xué)能儲(chǔ)存起來。
本研究是通過巧妙的器件設(shè)計(jì)，將納米發(fā)電機(jī)和鋰離子電池融合為一個(gè)獨(dú)立的器件單元——自充電能量單元（Self-Charging Power Cell）——來實(shí)現(xiàn)的。這一自充電能量單元可以利用環(huán)境中的機(jī)械形變和振動(dòng)直接實(shí)現(xiàn)充電。
自充電能量單元的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是基于鋰離子電池的基本結(jié)構(gòu)（陽極，隔膜，陰極和電解液），而將其中傳統(tǒng)的聚乙烯（PE）隔膜用具有壓電效應(yīng)的偏聚二氟乙烯（PVDF）薄膜來代替。在外力的作用下，PVDF隔膜會(huì)產(chǎn)生縱向的壓縮應(yīng)變，進(jìn)而使得具有合適極化方向的PVDF薄膜產(chǎn)生從陰極指向陽極的壓電電場。在這一壓電電場的驅(qū)動(dòng)下，電解液中的鋰離子會(huì)從陰極附近遷移至陽極，以屏蔽體系中的壓電電場。這會(huì)改變陰陽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(yīng)平衡，使得電池充電反應(yīng)得以發(fā)生。和利用直流電源將電子經(jīng)過外電路從陰極送往陽極的傳統(tǒng)電池充電方式相比，自充電能量單元是在機(jī)械作用導(dǎo)致的壓電電場的作用下，在體系內(nèi)部驅(qū)動(dòng)鋰離子運(yùn)動(dòng)引發(fā)充電反應(yīng)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)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(nèi)升高約68mV，所充電量可用1µA的電流放電達(dá)130秒。經(jīng)過比較，在這一全新的機(jī)械－電化學(xué)過程下，該自充電能量單元的能量轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存的總效率是相同條件下傳統(tǒng)分立器件模式的數(shù)倍。這一全新能量轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存機(jī)制的提出，為驅(qū)動(dòng)個(gè)人電子產(chǎn)品和自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(bào)》（Nano Letters）上。
薛欣宇副教授2008年來我校理學(xué)院任教，組建納米物理與器件研究組。近五年來，薛欣宇副教授研究組主持國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目2項(xiàng)、省部級(jí)基金項(xiàng)目5項(xiàng)。近五年來，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(qū)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(shù)達(dá)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)。