用具有壓電效應的PVDF膜取代PE膜研究鋰電池功能融合
2014-04-14 19:46:22
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據東北大學新聞網2013年3月21日訊 我校理學院教師薛欣宇與美國佐治亞理工學院王中林教授研究組合作，首次報道了一種全新的機制，將能量轉化和儲存這兩個過程融合為一個過程。這一研究成果在世界范圍內引起了極大反響，榮登國際知名的英國科學網站《物理世界》“2012年度物理學十大突破”。并被多家媒體報道，如美國有線電視新聞網（CNN）、《中國日報》、《中國科學報》、中國科學院網、科學網等。
在當今世界性能源危機的形勢下，尋找綠色能源和可再生能源以取代傳統能源，已成為*重要的研究領域，影響著人類社會的進步發展。其中，能源轉化技術和能源儲存技術是解決能源問題的兩大*核心技術。能源轉化技術用于將不同形式的可再生能源，如太陽能、熱能、化學能和機械能，通過不同的機制轉化成電能為人們所應用。另一方面，能源儲存技術可以將獲得的電能用一定的裝置儲存起來，以達到在更加可控與靈活的電能使用，例如能夠將電能以化學能的形式儲存起來的鋰離子電池。在現有的科技下，這兩大技術通常是基于分立的器件單元和不同的途徑來實現的。以機械能的轉化和儲存為例，通常需要兩個分離的器件單元分別實現將機械能轉化為電能和將電能以化學能儲存起來。
本研究是通過巧妙的器件設計，將納米發電機和鋰離子電池融合為一個獨立的器件單元——自充電能量單元（Self-Charging Power Cell）——來實現的。這一自充電能量單元可以利用環境中的機械形變和振動直接實現充電。
自充電能量單元的器件結構設計是基于鋰離子電池的基本結構（陽極，隔膜，陰極和電解液），而將其中傳統的聚乙烯（PE）隔膜用具有壓電效應的偏聚二氟乙烯（PVDF）薄膜來代替。在外力的作用下，PVDF隔膜會產生縱向的壓縮應變，進而使得具有合適極化方向的PVDF薄膜產生從陰極指向陽極的壓電電場。在這一壓電電場的驅動下，電解液中的鋰離子會從陰極附近遷移至陽極，以屏蔽體系中的壓電電場。這會改變陰陽兩極附近的電解液中的鋰離子濃度，進而打破兩處的氧化還原化學反應平衡，使得電池充電反應得以發生。和利用直流電源將電子經過外電路從陰極送往陽極的傳統電池充電方式相比，自充電能量單元是在機械作用導致的壓電電場的作用下，在體系內部驅動鋰離子運動引發充電反應。
實驗結果表明，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分鐘內升高約68mV，所充電量可用1µA的電流放電達130秒。經過比較，在這一全新的機械－電化學過程下，該自充電能量單元的能量轉化和儲存的總效率是相同條件下傳統分立器件模式的數倍。這一全新能量轉化和儲存機制的提出，為驅動個人電子產品和自驅動系統提供了新的能源技術。這一研究成果近期已發表在《納米快報》（Nano Letters）上。
薛欣宇副教授2008年來我校理學院任教，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基金項目2項、省部級基金項目5項。近五年來，在國際高水平SCI學術期刊發表研究論文25篇，其中JCR一區論文20篇，包括在Nano Letters（影響因子13.198）發表2篇，在Chemical Communications（影響因子6.169）發表2篇。文章被引用次數達到954次，在國際同行學者中獲得了很高的學術聲譽。