Only Perception: 自我充電的電池能產生與儲存能量

2012-08-31

自我充電的電池能產生與儲存能量

Self-charging battery both generates and stores energy
http://phys.org/news/2012-08-self-charging-battery-energy.html

By Lisa Zyga, August 17, 2012

(Phys.org) -- 再生能源技術通常包含二種截然不同的過程：能量產生（利用煤、太陽、風等等。）與能量儲存（例如電池）。這種二種過程總是透過二個不同的單元（unit，裝置）完成，第一種過程將原本的能量形態轉換成電，而第二種過程將電轉換成化學能。現在，工程師首度證明，可在單一裝置內產生與儲存能量，那直接將機械能轉換成化學能，繞過中間電力產生的步驟。此裝置基本上作用如同一個混合式發電--電池裝置，或換句話說，一個「自我充電的電池（self-charging power cell）」。

研究者，來自喬治亞州亞特蘭大，喬治亞理工學院的 Xinyu Xue，Sihong Wang，Wenxi Guo，Yan Zhang 以及 Zhong Lin Wang，已將其研究 -- 於單一裝置內結合能量產生與儲存 -- 發表在最近一期的 Nano Letters 上。

"這是一項計畫，在電池技術中引入新方法，在科學上，那是全新的，" Zhong Lin Wang 表示。"這具有一般且廣泛的應用，因為那是一種不僅能收成能量還能將之儲存的裝置。那不需要一個固定插在牆上的 DC 電源為電池充電，那大多數用來驅動小型、可攜的電子裝置。"

為製造自我充電的電池，研究者從硬幣型鋰離子電池開始，將一般用來分離二電極的聚乙烯（PE）隔離膜替換成聚偏二氟乙烯（PVDF）薄膜。身為一種壓電（piezoelectric）材料，施加壓力時 PVDF 薄膜會產生電荷。因其位置介於電池二電池間，PVDF 薄膜會導致帶正電的鋰離子從陰極遷移到陽極，以維持整個電池的電荷相等。這種離子遷移過程，在不需要任何外部電壓源的情況下，改變了電池；因為 PVDF 隔離膜提供電壓，或二電極間的勢能差異，這電池本質上是自我充電的。

為了要對隔離膜施壓，研究者將硬幣大小的電池裝在鞋底，並發現走動就足以產生足夠的壓縮能替電池充電。頻率 2.3 Hz 的壓縮力，可在 4 分鐘內使裝置的電壓從 327 增加到 395 mV。增加 65 mV 顯然比傳統設置的 10 mV 更高，在傳統設置中，電池被分離成 PVDF 壓電發電機與具有傳統 PE 隔離膜的鋰離子電池。這樣的改善證明在一個步驟內達到「機械能至化學能」的轉換，比「機械能至電能」以及「電能至化學能」這種用來替傳統電池充電的二階段過程更有效率。

一旦達到電極間的新平衡，自我充電過程即終止。當所施加的壓力釋放後，電池開始供電，因壓電場（piezoelectric field）消失，而鋰離子能從陽極擴散回陰極，以達到新的平衡。一如在傳統的鋰離子電池中，離子擴散涉及電化學的還原／氧化反應，那在這裡產生約 1 μA 的電流，能供電給小型電子裝置。

"在所施的壓力移除後，鋰離子並不會立刻回流，因為它與陽極材料形成新的化合物（LiTiO），" Zhong Lin Wang 說。"電荷的保存與傳統的電池一樣。之後需要電力時，它們才釋出。"

雖然這些電壓與電流很低，不過研究者證明，電池也能以更高的電壓（約 1.5 V）自我充電，那使得它適用在更廣泛的應用中。研究者預測，透過數種修改（例如使用彈性外殼，藉此使壓電材料的變形更大），他們能更進一步改善電池效能。

※ 相關報導：

＊ Hybridizing Energy Conversion and Storage in a Mechanical-to-Electrochemical Process for Self-Charging Power Cell
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl302879t