(a) Nella cella di alimentazione autocaricante, il materiale piezoelettrico PVDF sostituisce il materiale separatore convenzionale e funge da nanogeneratore all'interno di una batteria agli ioni di litio. (b) Sul fondo di una scarpa, la cella di potenza converte l'energia di compressione generata camminando in energia chimica e la immagazzina senza convertirla in elettricità. Credito immagine:Xue, et al. ©2012 American Chemical Society
(Phys.org) -- Le tecnologie energetiche rinnovabili generalmente consistono in due processi distinti:generazione di energia (utilizzando fonti come carbone, solare, vento, ecc.) e l'accumulo di energia (come le batterie). Questi due processi si realizzano sempre attraverso due unità separate, con il primo processo di conversione della forma originaria di energia in elettricità, e il secondo processo che converte l'elettricità in energia chimica. Ora per la prima volta, gli ingegneri hanno dimostrato che l'energia può essere generata e immagazzinata in un unico dispositivo che converte l'energia meccanica direttamente in energia chimica, bypassando la fase intermedia della produzione di energia elettrica. Il dispositivo agisce fondamentalmente come un'unità generatore-batteria ibrida, o in altre parole, una cella di alimentazione autocaricante.
I ricercatori, Xinyu Xue, Sihong Wang, Wenxi Guo, Yan Zhang, e Zhong Lin Wang, dal Georgia Institute of Technology di Atlanta, Georgia, hanno pubblicato il loro studio sulla combinazione di generazione e stoccaggio di energia in una singola unità in un recente numero di Nano lettere .
“Questo è un progetto che introduce un nuovo approccio nella tecnologia delle batterie che è fondamentalmente nuovo nella scienza, "Ha detto Zhong Lin Wang Phys.org . “Questo ha un'applicazione generale e ampia perché è un'unità che non solo raccoglie energia ma anche la immagazzina. Non ha bisogno di una sorgente DC a getto di parete costante per caricare la batteria. Deve essere utilizzato principalmente per la guida di piccole dimensioni, elettronica portatile”.
Per fabbricare la cella di alimentazione autocaricante, i ricercatori hanno iniziato con una batteria agli ioni di litio di tipo moneta e hanno sostituito il separatore in polietilene che normalmente separa i due elettrodi con una pellicola in PVDF. Come materiale piezoelettrico, Il film PVDF genera una carica quando è sottoposto a uno stress applicato. A causa della sua posizione tra gli elettrodi della batteria, il film di PVDF fa sì che gli ioni di litio positivi migrino dal catodo all'anodo per mantenere un equilibrio di carica attraverso la batteria. Questo processo di migrazione ionica carica la batteria senza la necessità di alcuna fonte di tensione esterna; poiché il separatore in PVDF fornisce la tensione, o differenza di potenziale tra gli elettrodi, la batteria è essenzialmente autocaricante.
Un'immagine al microscopio elettronico a scansione in sezione trasversale della cella di alimentazione autocaricante (a sinistra), e l'anodo di nanotubi di TiO2 ingrandito (a destra). Credito immagine:Xue, et al. ©2012 American Chemical Society
Per applicare una sollecitazione al separatore, i ricercatori hanno attaccato la batteria delle dimensioni di una moneta al fondo di una scarpa, e ha scoperto che camminare potrebbe generare energia di compressione sufficiente per caricare la batteria. Una forza di compressione con una frequenza di 2,3 Hz potrebbe aumentare la tensione del dispositivo da 327 a 395 mV in 4 minuti. Questo aumento di 65 mV è significativamente superiore all'aumento di 10 mV necessario quando la cella di alimentazione è stata separata in un generatore piezoelettrico PVDF e una batteria agli ioni di litio con il convenzionale separatore in polietilene. Il miglioramento mostra che ottenere una conversione di energia da meccanico a chimico in un solo passaggio è molto più efficiente del processo in due fasi da meccanico a elettrico e da elettrico a chimico utilizzato per caricare una batteria tradizionale.
Una volta raggiunto il nuovo equilibrio tra gli elettrodi, il processo di autocaricamento cessa. La cella può iniziare a fornire energia dopo che lo stress applicato è stato rilasciato, poiché il campo piezoelettrico scompare e gli ioni Li possono tornare indietro dall'anodo al catodo per raggiungere un nuovo equilibrio. Come in una normale batteria agli ioni di litio, la diffusione ionica comporta reazioni elettrochimiche di riduzione-ossidazione, che qui generano una corrente di circa 1 μA che può essere utilizzata per alimentare un piccolo dispositivo elettronico.
“Gli ioni di litio non rifluiranno immediatamente dopo la rimozione dello stress applicato perché forma un nuovo composto con il materiale dell'anodo (LiTiO), Ha detto Zhong Lin Wang. “Le cariche vengono conservate come in una batteria convenzionale. Vengono rilasciati in un secondo momento quando è necessaria l'alimentazione”.
Sebbene queste tensioni e correnti siano basse, i ricercatori hanno dimostrato che la cella di alimentazione può anche autocaricarsi con tensioni più elevate di circa 1,5 V, che potrebbe renderlo utile per una gamma più ampia di applicazioni. I ricercatori prevedono di poter migliorare ulteriormente le prestazioni della cella di potenza apportando diverse modifiche, ad esempio utilizzando un involucro flessibile per consentire una maggiore deformazione del materiale piezoelettrico.
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