一种能量包制造技术

本发明专利技术提供一种能量包，包括被电解液分隔开的正极和负极，以及位于正极和负极之间的压电离子传输层，其中，所述压电离子传输层，在机械力作用下产生由正极指向负极的压电电场。本发明专利技术的能量包通过在正极和负极之间引入压电离子传输层材料替代电池或超级电容器的器件构造中的固有单元，既无损保留了原有电化学系统的能量储存特性，同时又可以利用压电材料在机械作用下产生的压电电势，驱动电解液中的离子迁移，导致离子浓度发生不均匀再分布，以引发充电过程，是一种自充电能量包。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及能量储存
，特别涉及可以将机械能储存为电能的能量包。
技术介绍
能量转化和储存是当今绿色和可再生能源科学的最重要的技术。它们通常是基于·根据不同的途径设计的分立的单元是实现的。对于能源转换利用，依据自然界中能源的本质(例如太阳能，热能，化学能和机械能等)，人们发展了各种机制将这些能量来转化成电能。例如对于小尺度的机械能，压电纳米发电机是一个能够将低频生物机械能转化成电能的有效途径。而对于传统能量储存，以电化学能量储存系统(如电容、电池等)为例，它们通常需要依靠外界电源提供恒定电压或电流来充电。这些储能系统只能用于能量的储存而不能自己产生电能。在现有的技术中，要利用自然界的能量转化为电能以给储能装置充电，只能通过外部电路的连接整合，而且往往要经过诸如整流等单元，不仅使储能装置结构复杂，而且电流经过在外电路和这些外部单元中的传递，会产生一定的能量损耗，影响能量利用效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能够将能量转换和储存集成于一个过程中的能量包，以作为一种新型、高效、绿色、可再生的持续能源。为实现上述目的，本专利技术提供一种能量包，包括被电解液分隔开的正极和负极，以及位于正极和负极之间的压电离子传输层，其中，所述压电离子传输层，在机械力作用下产生由正极指向负极的压电电场。优选地，所述的压电离子传输层为具有排列整齐偶极矩和压电特性的材料。优选地，所述的压电离子传输层为锆钛酸铅、聚偏氟乙烯或氧化锌。优选地，所述负极与正极相对的表面包括纳米颗粒、纳米管或纳米线。 优选地，所述压电离子传输层还包括与所述负极表面形成互补的纳米结构。优选地,所述正极包括锂离子电池正极材料LiCoO2或LiMn204。优选地，所述的负极为钛箔，负极表面覆盖的纳米结构为二氧化钛纳米管或纳米线。优选地，所述正极和负极与电解液接触的表面都包括纳米颗粒、纳米管或纳米线。优选地，所述正极和负极的结构包括泡沫镍和覆盖在泡沫镍上的四氧化三钴纳米线阵列。优选地，所述的电解液为锂离子电池体系的LiPF6、LiC104*LiBF4的碳酸烯酯类有机电解液，或者Li3N固体电解质，或者用于超级电容器体系的KOH水溶液、四氟硼酸四乙基铵的有机溶液。优选地，所述电解液为lmol/L的KOH水溶液或有机溶液。优选地，所述的正极和/或负极包括作为集流体的导电体。优选地，所述的导电体包括铝或铜的金属箔、金属片或金属泡沫。与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果是本专利技术提供的能量包，通过在正极和负极之间引入压电离子传输层材料，如锆钛酸铅(PZT )、聚偏氟乙烯(PVDF)、氧化锌(ZnO)等各种压电材料来替代电池或超级电容器的器件构造中的固有单元。本专利技术的能量包既无损保留了原有电化学系统的能量储存特性，同时又可以利用压电材料在机械作用下产生的压电电势，驱动电解液中的离子迁移，导致离子浓度发生不均匀再分布，以引发充电过程，是一种自充电能量包。本专利技术能够使得锂离子电池等储能器件和系统不依靠外电源，而通过环境中机械振动而实现充电，不仅结构简单，而且不存在外电路的能量损耗问题。由于自然界中的机械能无处不在，本专利技术大大拓展了锂离子电池和超级电容器等储能器件的应用范围。本专利技术的自充电能量单元不但将在传统应用领域，如手机等个人电子设备上得到广泛的使用，同时还将作为理想的电源为新型器件和系统供电，如自驱动传感网络、环境/基础设施监控、生物医学传感器和其他生物医学器件如心脏起搏器等、混合动力汽车、移动电子设备、机器人等方面的应用。附图说明通过附图所示，本专利技术的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本专利技术的主旨。图1为本专利技术的能量包的结构示意图(A)和自充电原理示意图(B)；图2为本专利技术实施例一中的基于锂离子电池的能量包的结构示意图；图3为本专利技术实施例一中的基于锂离子电池的能量包的扫描电镜照片；图4为本专利技术实施例一和实施例二中的基于锂离子电池的能量包的自充电原理示意图；图5为本专利技术实施例一中的基于锂离子电池的能量包的在周期性机械作用下的自充电过程和恒流放电过程电压变化曲线；图6为本专利技术实施例二中的基于锂离子电池的能量包的结构示意图；图7为本专利技术实施例三中的基于超级电容器的能量包的结构示意图；图8为本专利技术实施例三中的基于超级电容器的能量包的自充电原理示意图。具体实施例方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。其次，本专利技术结合示意图进行详细描述，在详述本专利技术实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本专利技术保护的范围。在现有的技术中，要利用自然界的能量转化为电能以给储能装置充电，只能通过外部电路的连接整合，不仅使储能装置结构复杂，而且影响能量利用效率。本专利技术提供的能量包的总体实施方案如图1所示，能量包100包括被电解液114分隔开的正极110和负极112，以及位于正极110和负极112之间的压电离子传输层122，其中，所述压电离子传输层122，在机械力作用下产生由正极110指向负极112的压电电场。本专利技术的能量包中还可以在正极110包括集流体120，在负极112包括集流体124。图1中图A为未进行充电的能量包，当在能量包上施加机械力F时,参见图1中B图所示，由于压电离子传输层122在机械力作用下产生由正极110指向负极112的压电电场，在这一压电电场驱动下，电解液114中的阳离子会逐渐从正极110附近向负极112附近迁移，导致负极122处的阳离子浓度高于正极110处。这一过程进行至电解液中的压电电场完全被不均匀分布的阳离子屏蔽，正负极附近电解液中分别改变的阳离子浓度将打破正负极原有的化学反应平衡，导致充电反应的发生。 本专利技术中，压电离子传输层可以为锆钛酸铅、聚偏氟乙烯、氧化锌等材料。将作为压电离子传输层的压电材料无缝融入电化学储能器件的结构中，也就是说用压电材料替代电池、超级电容等器件构造中的原有部分(正负极之间的隔膜)。在这一巧妙的结构设计下和压电材料形式的适当选择下，压电离子传输层既实现了它所替代的原有部分的功能，同时还能在外界机械能的作用下产生压电电场，驱动电解液中的离子的迁移，使得离子浓度在正负电极处发生不均匀再分布，打破原有热力学平衡，导致充电过程的发生。本专利技术的能量包是一种自充电能量包。根据这一思想，我们着重结合示意图描述以下几种器件结构设计作为代表。实施例一本实施例中的能量包是基于正极材料为LiCoO2颗粒，负极材料是TiO2纳米管阵列(或硅纳米线阵列)的锂离子电池结构。本实施例的能量包的结构示意图参见图2，其中，图A为能量包的整体结构示意图，图B为能量包的剖面图，能量包的正极为表面覆盖有LiCoO2颗粒102的金属箔101，负极为与正极相对的表面制备有纳米结构105的金属箔106，并且正极表面的LiCoO2颗粒102和负极表面的纳米结构105面对面设置。正极和负极被电解液104分隔开,在正极和负极之间包括压电尚子传输层103。具体地，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能量包，其特征在于，包括被电解液分隔开的正极和负极，以及位于正极和负极之间的压电离子传输层，其中，所述压电离子传输层，在机械力作用下产生由正极指向负极的压电电场。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王中林，王思泓，薛欣宇，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：