[科普中国]-自充电电池

自充电电池将能量转换和能量存储两个过程通过单一独立的器件融合在一个过程里实现，可以直接利用环境中的机械形变与振动实现自充电过程，即直接将机械能转换成电能并以化学能的形式存储。

简介自充电电池的结构设计是在锂离子电池的基本结构(包括正极、隔膜、负极与电解液)的基础之上，使用具有压电效应的偏聚二氟乙烯(PVDF)膜取代锂离子电池中聚乙烯(PE)膜作为自充电电池的隔膜。极化过后的PVDF膜具有良好的压电效应，当它受到外部的压力的时候，PVDF膜在垂直的方向上会发生压缩性交，这使得在PVDF的厚度方向上会产生了一个由正极指向负极的压电电场。在该压电电场的作用下，电解液中的锂离子则会从电池的正极附近通过PVDF膜移动到负极附近，来屏蔽压电电场。锂离子的移动改变了电解液中锂离子的均匀分布，破坏了电池正负极处的氧化还原反应的平衡，通过这种压电电化学过程实现电池的自充电反应。1

结构自充电电池将能量转换和能量存储两个过程通过单一独立的器件融合在一个过程里实现，可以直接利用环境中的机械形变与振动实现自充电过程，即直接将机械能转换成电能并以化学能的形式存储。自充电电池的设计是在普通的锂离子电池基本结构的基础上，使用具有压电效应的PVDF薄膜取代传统的PE电池隔膜，它的主要结构包括了正极、压电隔膜、负极、电解液和电池壳。

(1)正极

与普通的锂离子电池相同，自充电电池的正极通常是将正极材料、导电碳、粘结剂的混合材料涂覆在铝箔上得到的。正极材料是锂离子的嵌入化合物，当电池在充电过程中时，锂离子会从正极材料中脱出，进入到电解液里：而在电池放电过程中，电解液中的锂离子则会嵌入到正极材料中。

(2)压电隔膜

自充电电池与普通锂离子电池结构不同之处主要在于使用PVDF压电隔膜取代了PE隔膜。压电隔膜存在于自充电电池中有两个作用，包括充当电池的隔膜和进行能量的转换，目前使用的压电隔膜是经过充分极化过的PVDF薄膜。一方面，PVDF薄膜既是锂离子的导体也是电子的绝缘体，因此PVDF处于电池的正负极之间时可以防止电池短路，并允许锂离子在电池的正负极之间移动。另一方面，经过充分极化过的PVDF薄膜具有了压电效应，当它受到外部的压力时，会在它的厚度方向上产生压电电场，因此PVDF压电隔膜可以实现从机械能到电能的转换。

(3)负极

自充电电池的负极同样与锂离子电池负极相同，通常是将负极材料、导电碳和粘结剂的混合材料涂覆在铜箔上得到的。在电池充电时，锂离子会从电解液嵌入到电池的负极材料里，而在电池放电时，锂离子则会从负极材料里脱出，进入到电解液中。目前有关负极储锂材料的研究有很多，主要包括：碳材料、纳米氧化物材料、新型合金等。

(4)电解液与电池壳

自充电电池电解质包括液体电解质、凝胶型聚合物电解质和全固体电解质三种。目前在自充电电池中使用的是液体电解质，该液体电解质是LiPF6的乙烯碳酸脂(EC)、丙烯碳酸脂(PC)和低粘度二乙基碳酸脂(DEC)等烷基碳酸脂搭配的混合溶液体系。2

原理对于自充电电池来说，充电过程可以有两种模式。一种是像普通的锂离子电池～样的传统的充电方式，即在电池的两个电极之间外加直流电源进行充电，将电能转换成化学能存储在电池中。另外一种充电模式就是自充电过程，即通过外加压力的方式对电池进行充电，当自充电电池受到外部压力时，PVDF会产生压电电场，通过这种方式将机械能转换成电能，同时以化学能的方式存储在电池当中。

使用外部的直流电源进行充电时，自充电电池的工作原理与普通的锂离子电池原理是相同的。当电池的两极之间外加了直流电源时，电池开始充电过程，锂离子从正极材料当中脱出进入到电解液中，而在外部电流的作用下，电解液中的锂离子会穿过PVDF隔膜移动到负极并嵌入到负极材料中，此时，电能就被转换成化学能存储了起来。使用外部的直流电源进行充电时。PVDF压电隔膜与普通锂离子电池中使用的PE隔膜具有完全相同的作用。

自充电电池成功的将纳米发电机与锂离子电池集成在同一个器件单元当中，在受到外部压力时可以将机械能转换成电能，并以化学能的形式存储在电池中，实现能量转换与能量存储过程的二合一，在这个过程中，PVDF压电隔膜不仅充当了普通电池中的隔膜，还可以将机械能转换成电能。1

技术特点加热和冷却均可以给这种新型电池充电。在论文实验验证的例子中，使用时，先在20摄氏度的室温下放电，然后将电池加热到60摄氏度，加热过程相当于给电池充电。该电池特殊之处在于，此时需维持在60摄氏度，电池才能继续放电。放完电后降温充电，回到20摄氏度室温后又可以再次使用。

杨远说，制造电池两个电极的材料都很便宜，分别是蓝色染料普鲁士蓝以及铁氰化钾和亚铁氰化钾。他说，这种电池在100摄氏度的热源环境中使用，包括工厂废热、地热和阳光引起的温度变化等，其转化效率为1%至2%，接近于同样温度范围内热电材料的转化效率。

纳米材料电极1．纳米材料表面和界面原子所占比例大，具有比块体材料更高的电化学活性；很多在块体时的不能与锂离子发生可逆的脱嵌反应，尺寸降到纳米量级后，成为有潜力的储锂电极材料；

2．材料粒径小，锂离子在材料中脱嵌锂路程短，有利于材料进行快速充放电；

3．比表面积大，提高了活性材料与电解液的接触；纳米材料表面由大量各向异性的界面组成，脱嵌锂过程中，界面反应位置多；在相同的外部电流下，纳米材料具有更小的真实电流密度，从而有助于减小极化现象；

4．高空隙率，为有机溶剂分子提供了更大的自由空间，同时也给锂离子的脱嵌提供了大量的空间，提高了材料比容量和能量密度； ’

5．很强的结构柔韧性(相对于块体材料)，可以承受脱嵌锂过程中产生的形变和应力，有效地降低了循环过程中材料的破碎，提高了电池的循环性能。2

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所