科学家发现能量转化与储存新机制

发布日期：2012年08月15日  科学时报

科学时报讯（记者张楠）日前，在美国佐治亚理工学院教授、中国国家纳米科学中心联合主任王中林的领导下，薛欣宇和王思泓组成的研究小组首次报道了一种全新机制，将能量转化和储存融合为一个过程，也就是说，机械能在转化的同时就以化学能的形式储存了下来。这一成果近期发表在《纳米快报》上。

能源转化技术和能源储存技术是解决能源问题的两大最核心技术。在现有科技下，这两大技术通常是基于分离的器件单元和不同的途径来实现的。以机械能的转化和储存为例，通常需要两个分离的器件单元，分别实现将机械能转化为电能和将电能以化学能储存起来。

王中林小组通过巧妙的器件设计，将纳米发电机和锂离子电池融合为一个独立的器件单元“自充电能量单元”（Self-Charging Power Cell），实现了两个过程的融合。这一自充电能量单元可以利用环境中的机械形变和振动直接实现充电。

自充电能量单元的器件结构设计，是基于锂离子电池的基本结构（阳极、隔膜、阴极和电解液），而将其中传统的聚乙烯（PE）隔膜用具有压电效应的偏聚二氟乙烯（PVDF）薄膜来代替。

在外力的作用下，PVDF隔膜会产生纵向的压缩应变，进而使得具有合适极化方向的PVDF薄膜产生从阴极指向阳极的压电电场。在这一压电电场的驱动下，电解液中的锂离子会从阴极附近迁移至阳极，以屏蔽体系中的压电电场。这会改变阴阳两极附近的电解液中的锂离子浓度，进而打破两处的氧化还原化学反应平衡，使得电池充电反应得以发生。

实验结果表明，在2.3赫兹的周期性撞击的作用下，该自充电能量单元的电压可在4分钟内升高约68毫伏，所充电量可用1微安的电流放电130秒。经过比较，在这一全新机械—电化学过程下，该自充电能量单元的能量转化和储存总效率是相同条件下传统分立器件模式的数倍。这一全新能量转化和储存机制的提出，为驱动个人电子产品和自驱动系统提供了新的能源技术。