美國佐治亞理工學(xué)院的一個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(chǔ)上，他們通過在電池的壓電材料里添加納米顆粒形成納米復(fù)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(tǒng)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，利用周圍環(huán)境中的機械形變和振動，在壓電效應(yīng)下促使鋰離子從陰極向陽極遷移，直接為電池充電。

這種“自充電能源包一步實現(xiàn)能量的產(chǎn)生和儲存”在世界范圍內(nèi)引起了極大反響，其為開發(fā)新型便攜式移動電源以實現(xiàn)自供能系統(tǒng)和便攜式個人電子器件提供了全新的方法。將機械能轉(zhuǎn)化為電能，再將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的兩步過程簡化為機械能直接轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的一步過程，未來可能將會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(nèi)部。例如，將其放置于計算器的按鈕下方，通過按壓按鈕產(chǎn)生機械能，同時將機械轉(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲在電池中。研究人員設(shè)想，該電池在不久的將來可以給各種小型便攜式電子設(shè)備，如移動電話和人體健康監(jiān)測系統(tǒng)提供電源。

有別于傳統(tǒng)電池只為了儲存能量的目的，自充電電池兼顧轉(zhuǎn)換和儲存能量的功能。在常規(guī)電池里，能量轉(zhuǎn)換（例如機械能轉(zhuǎn)換至電能）的第一步幾乎總是由一個單獨的設(shè)備執(zhí)行。而自充電電池完全繞過轉(zhuǎn)換為電能的中間環(huán)節(jié)，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)化和儲存更為有效的過程。

在改變傳統(tǒng)的鋰電池為自充電電池的過程中，研究人員更換了通常用于在鋰電池中分隔兩個電極的聚乙烯分離器，當在外加應(yīng)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(fù)合材料。添加PZT后電池的性能顯著改進，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，這些改進是由于兩種機制發(fā)生作用：一是PZT誘發(fā)的幾何變形約束效應(yīng)增加了壓電潛力；二是PZT具有的多孔性結(jié)構(gòu)增大了納米復(fù)合材料孔隙數(shù)量，從而在一個小空隙間距內(nèi)增加了鋰離子穿行時傳導(dǎo)路徑的數(shù)量。這兩種機制允許更多的鋰離子從陰極遷移到陽極，從而增加電荷的總量。

該技術(shù)上的改善證明了納米復(fù)合薄膜能夠增強自充電電池的性能。研究人員說：“我們需要深刻認識兩個電極的充電電化學(xué)反應(yīng)的確切進展，以提高自充電能源包或電池的性能?！?br/>
這項研究的主要作者還有來自蘭州大學(xué)、中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的張巖博士和沈陽東北大學(xué)的薛欣宇博士。