王中林院士等Adv. Energy Mater.：基于摩擦效應的自充電鋰離子電池

【引言】

能量的轉換和儲存是當今能源體系兩大關鍵性技術問題。鋰離子電池是通過鋰離子在陰陽極之間移動實現將化學能轉換為電能的儲能器件。作為供能的源頭，太陽能，熱能，機械能都可以供能用以向電能的轉換。其中，基于壓電效應或者摩擦效應的納米發電機是一類高效能利用機械能的裝置。受容量所限，鋰離子電池必須定期充電，而綜合了納米發電機和鋰離子電池功能于一體的可自充鋰離子電池，同時解決了能量的轉換和儲存問題，為下一代鋰離子電池在自發電器件上的應用提供了很好的借鑒。

【成果簡介】

在北京納米能源與系統研究所楊亞研究員和王中林院士共（共同通訊作者）共同指導下，博士生趙坤等人以電紡制備的錳酸鋰纖維為正極，碳納米纖維為負極，構筑柔性鋰離子電池，基于靜電感應效應，一個電池體系內兩個鋰離子電池相鄰電極能輸出高達200 V的電壓和25 uA的電流，在配備有變壓器和整流器的條件下，一個電池在3 min內電壓能從1 V充至3.5 V。該研究為發展下一代自充電式鋰離子電池提供了良好的思路。該成果以“ Triboelectrifcation-Enabled Self-Charging Lithium-Ion
Batteries ”為題發表在Advanced Energy Materials上。

【圖文導讀】

圖1.鋰離子電池電極材料的電鏡照片

a）錳酸鋰前驅體的電鏡照片。b）碳納米線的電鏡照片。c）自發電鋰離子電池的原理圖。d）制作成的鋰離子電池。e）扭曲和f）彎曲的鋰離子電池點亮了LED燈。

圖2.鋰離子電池充放電測試

鋰離子電池在0.1 mA電流下從2.1V充電至4.2V時a）第1次和b）第2-50次充放電曲線。c）鋰離子電池50次循環的充放電曲線。

圖3. 鋰離子電池輸出測試

兩個鋰離子電池相鄰兩個電極之間的a）輸出電壓和b）電流信號。使用變壓器之后兩個鋰離子電池相鄰電極之間的c）輸出電壓和d）電流信號。在使用變壓器e）之前和f）之后，在不同負載電阻和對應的輸出功率時的輸出電流信號。使用變壓器和整流器之后兩個電池相鄰電極的g）輸出電壓和h）電流信號。

圖4. 鋰離子電池的示意圖

a）輸出端不加能量收集裝置的自充電鋰離子電池示意圖。b）自充電鋰離子電池的示意圖，清晰地顯示了電子在回路中的流動。

圖5.鋰離子充放電行為

a,b）上側鋰離子電池的自充電和放電曲線，（b）中所示為在0.1 mA放電電流條件下放大的曲線圖。

c）在前20次充放電過程中沒有折疊的鋰離子電池50次充放電循環圖。

d）在前20次充放電過程中沒有折疊的鋰離子電池50次充放電容量和庫倫效率圖。

【小結】

團隊設計了一種能持續收集和儲存能量的自充電鋰離子電池，以電紡錳酸鋰纖維為正極，碳纖維為負極。這種柔性鋰離子電池在50次循環之后庫倫效率的保有量高達90%。利用摩擦生電和靜電誘導效應，兩個鋰離子電池相鄰電極可以輸出高達200 V的電壓和25 uA的電流。在環境風的摩擦作用下，電池能夠在1.3 min內自充電到3.5 V。

文獻鏈接： 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學術組東海木子供稿，材料牛整理編輯。

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