王中林院士等Adv. Energy Mater.：基于摩擦效应的自充电锂离子电池

【引言】

能量的转换和储存是当今能源体系两大关键性技术问题。锂离子电池是通过锂离子在阴阳极之间移动实现将化学能转换为电能的储能器件。作为供能的源头，太阳能，热能，机械能都可以供能用以向电能的转换。其中，基于压电效应或者摩擦效应的纳米发电机是一类高效能利用机械能的装置。受容量所限，锂离子电池必须定期充电，而综合了纳米发电机和锂离子电池功能于一体的可自充锂离子电池，同时解决了能量的转换和储存问题，为下一代锂离子电池在自发电器件上的应用提供了很好的借鉴。

【成果简介】

在北京纳米能源与系统研究所杨亚研究员和王中林院士共（共同通讯作者）共同指导下，博士生赵坤等人以电纺制备的锰酸锂纤维为正极，碳纳米纤维为负极，构筑柔性锂离子电池，基于静电感应效应，一个电池体系内两个锂离子电池相邻电极能输出高达200 V的电压和25 uA的电流，在配备有变压器和整流器的条件下，一个电池在3 min内电压能从1 V充至3.5 V。该研究为发展下一代自充电式锂离子电池提供了良好的思路。该成果以“ Triboelectrifcation-Enabled Self-Charging Lithium-Ion
Batteries ”为题发表在Advanced Energy Materials上。

【图文导读】

图1.锂离子电池电极材料的电镜照片

a）锰酸锂前驱体的电镜照片。b）碳纳米线的电镜照片。c）自发电锂离子电池的原理图。d）制作成的锂离子电池。e）扭曲和f）弯曲的锂离子电池点亮了LED灯。

图2.锂离子电池充放电测试

锂离子电池在0.1 mA电流下从2.1V充电至4.2V时a）第1次和b）第2-50次充放电曲线。c）锂离子电池50次循环的充放电曲线。

图3. 锂离子电池输出测试

两个锂离子电池相邻两个电极之间的a）输出电压和b）电流信号。使用变压器之后两个锂离子电池相邻电极之间的c）输出电压和d）电流信号。在使用变压器e）之前和f）之后，在不同负载电阻和对应的输出功率时的输出电流信号。使用变压器和整流器之后两个电池相邻电极的g）输出电压和h）电流信号。

图4. 锂离子电池的示意图

a）输出端不加能量收集装置的自充电锂离子电池示意图。b）自充电锂离子电池的示意图，清晰地显示了电子在回路中的流动。

图5.锂离子充放电行为

a,b）上侧锂离子电池的自充电和放电曲线，（b）中所示为在0.1 mA放电电流条件下放大的曲线图。

c）在前20次充放电过程中没有折叠的锂离子电池50次充放电循环图。

d）在前20次充放电过程中没有折叠的锂离子电池50次充放电容量和库伦效率图。

【小结】

团队设计了一种能持续收集和储存能量的自充电锂离子电池，以电纺锰酸锂纤维为正极，碳纤维为负极。这种柔性锂离子电池在50次循环之后库伦效率的保有量高达90%。利用摩擦生电和静电诱导效应，两个锂离子电池相邻电极可以输出高达200 V的电压和25 uA的电流。在环境风的摩擦作用下，电池能够在1.3 min内自充电到3.5 V。

文献链接： Triboelectrifcation-Enabled Self-Charging Lithium-Ion Batteries （Adv. Energy Mater.,2017,DOI: 10.1002/aenm.201700103 ）

本文由材料人新能源学术组东海木子供稿，材料牛整理编辑。

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