(Phys.org) -- Technologie voor hernieuwbare energie bestaat over het algemeen uit twee verschillende processen:energieopwekking (met behulp van bronnen zoals steenkool, zonne, wind, etc.) en energieopslag (zoals batterijen). Deze twee processen worden altijd bereikt door twee afzonderlijke eenheden, met het eerste proces dat de oorspronkelijke vorm van energie omzet in elektriciteit, en het tweede proces waarbij elektriciteit wordt omgezet in chemische energie. Nu voor het eerst, ingenieurs hebben aangetoond dat energie kan worden opgewekt en opgeslagen in een enkel apparaat dat mechanische energie direct omzet in chemische energie, het omzeilen van de tussenstap van elektriciteitsopwekking. Het apparaat fungeert in feite als een hybride generator-batterij-eenheid, of met andere woorden, een zelfopladende stroomcel.

De onderzoekers, Xinyu Xue, Sihong Wang, Wenxi Guo, Yan Zhang, en Zhong Lin Wang, van het Georgia Institute of Technology in Atlanta, Georgië, hebben hun studie over het combineren van energieopwekking en -opslag in één unit gepubliceerd in een recent nummer van: Nano-letters .

"Dit is een project dat een nieuwe benadering in batterijtechnologie introduceert die fundamenteel nieuw is in de wetenschap, "Zhong Lin Wang vertelde" Phys.org . “Dit heeft een algemene en brede toepassing omdat het een unit is die niet alleen energie oogst, maar ook opslaat. Het heeft geen constante DC-bron nodig om de batterij op te laden. Het wordt meestal gebruikt voor het rijden met kleine, draagbare elektronica.”

Om de zelfopladende stroomcel te fabriceren, de onderzoekers begonnen met een lithium-ionbatterij van het munttype en vervingen de polyethyleenscheider die normaal de twee elektroden scheidt met PVDF-film. Als piëzo-elektrisch materiaal, PVDF-film genereert een lading bij uitgeoefende spanning. Vanwege de positie tussen de batterij-elektroden, de PVDF-film zorgt ervoor dat positieve Li-ionen migreren van de kathode naar de anode om een ​​ladingsevenwicht over de batterij te handhaven. Dit ionmigratieproces laadt de batterij op zonder dat er een externe spanningsbron nodig is; aangezien de PVDF-scheider de spanning levert, of potentiaalverschil tussen elektroden, de batterij is in wezen zelfopladend.

Om een ​​spanning op de separator uit te oefenen, de onderzoekers bevestigden de batterij ter grootte van een muntstuk aan de onderkant van een schoen, en ontdekte dat wandelen voldoende compressie-energie kan genereren om de batterij op te laden. Een drukkracht met een frequentie van 2,3 Hz zou de spanning van het apparaat in 4 minuten kunnen verhogen van 327 naar 395 mV. Deze toename van 65 mV is aanzienlijk hoger dan de toename van 10 mV die nodig was toen de stroomcel werd gescheiden in een piëzo-elektrische PVDF-generator en Li-ionbatterij met de conventionele polyethyleenscheider. De verbetering toont aan dat het bereiken van een mechanisch-naar-chemische energieconversie in één stap veel efficiënter is dan het mechanisch-naar-elektrische en elektrisch-naar-chemische tweestapsproces dat wordt gebruikt voor het opladen van een traditionele batterij.

Zodra het nieuwe evenwicht tussen de elektroden is bereikt, het zelfoplaadproces stopt. De cel kan beginnen met het leveren van stroom nadat de uitgeoefende spanning is opgeheven, omdat het piëzo-elektrische veld verdwijnt en de Li-ionen terug kunnen diffunderen van de anode naar de kathode om een ​​nieuw evenwicht te bereiken. Net als bij een conventionele Li-ion batterij, ionendiffusie omvat elektrochemische reductie-oxidatiereacties, die hier een stroom van ongeveer 1 A genereren die kan worden gebruikt om een ​​klein elektronisch apparaat van stroom te voorzien.

“De Li-ionen zullen niet onmiddellijk terugvloeien nadat de uitgeoefende spanning is verwijderd, omdat het een nieuwe verbinding vormt met het anodemateriaal (LiTiO), ' zei Zhong Lin Wang. “De ladingen blijven behouden zoals bij een conventionele batterij. Ze worden op een later moment vrijgelaten als er stroom nodig is.”

Hoewel deze spanningen en stromen laag zijn, toonden de onderzoekers aan dat de power cell zichzelf ook kan opladen bij hogere spanningen van rond de 1,5 V, wat het bruikbaar zou kunnen maken voor een breder scala aan toepassingen. De onderzoekers voorspellen dat ze de prestaties van de powercel verder kunnen verbeteren door verschillende aanpassingen aan te brengen, zoals door gebruik te maken van een flexibele behuizing om grotere vervorming van het piëzo-elektrische materiaal mogelijk te maken.

Copyright 2012 Phys.org
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.