Bateria, którą ładuje się przez potrząsanie
Naukowcy z USA skonstruowali samoładujące się ogniwo, przekształcające energię mechaniczną na chemiczną. Ogniwo to działa jednocześnie jak bateria, przechowując energię do chwili jej użycia. Nowe rozwiązanie jest bardziej wydajne niż stosowany do tej pory zespół składający się z osobnego generatora i baterii – poinformował serwis naukowy Eurekalert.
Poruszane energią mechaniczną jaka jest wytwarzana np. przez kroki idącego człowieka, nowe ogniwo jest w stanie wytworzyć energię wystarczająca do działania małego kalkulatora. Z kolei ogniwa hybrydowe o wielkości zwykłej baterii pastylkowej mogą dostarczyć mocy wystarczającej do działania małych urządzeń elektronicznych, znajdujących się w wyposażeniu żołnierza. Całodzienny marsz wystarczyłby wtedy do całkowitego naładowania takich ogniw.
Jak stwierdził w opisie nowego ogniwa prof. Zhong Lin Wang, ludzie są przyzwyczajeni, że wytwarzanie energii i jej składowanie odbywa się w dwóch różnych kategoriach urządzeń. Nowe urządzenie tymczasem jest zintegrowanym ogniwem samoładującym, które pokazuje, że istnieje nowa technologia umożliwiająca wytwarzanie i składowanie energii w jednym układzie.
Zespół prof. Zhong Lin Wanga, zbudował i przetestował ponad 50. ogniw. Z testów tych, według Wanga, wynika, że nowe ogniwo będzie ponad pięciokrotnie wydajniejsze w konwersji energii mechanicznej na chemiczną niż do tej pory konstruowane systemy, zakładające konwersje i przechowywanie energii dwóch oddzielnych układach.
Najważniejszym rozwiązaniem zastosowanym w nowym ogniwie przez zespół naukowców z Georgia Institute of Technology pod kierownictwem prof. Zhong Lin Wang jest piezoelektryczna membrana, pozwalająca na przechodzenie jonów litu z jednej strony ogniwa na drugą, kiedy na membranę oddziałuje siła mechaniczna. Jony te, przenikające poprzez tą membranę, spolaryzowaną potencjałem piezoelektrycznym, są składowane jako energia chemiczna wytworzona w procesie elektrochemicznym.
Ogniwo zawiera katodę wykonaną z dwutlenku kobaltowo-litowego (LiCoO2. i anodę z filmu tytanowego, na którym rozmieszczone są nanorurki z dwutlenku tytanu(TiO2). Obie te elektrody są oddzielone przez membranę z filmu wykonanego z polifluorku winylidenu (PVDF), wytwarzającego pod naciskiem potencjał piezoelektryczny. Membrana wtedy ładuje jony przechodzące od katody do anody, gdzie przybierają postać tlenku litowo-tytanowego.
Ładowanie zachodzi w cyklach –. nacisk na ogniwo wyzwala potencjał piezoelektryczny, uruchamiający przepływ jonów litu do momentu osiągnięcia równowagi między dwoma elektrodami. Kiedy nacisk przestanie działać na ogniwo, efekt piezoelektryczny w PVDF zanika i jony litu pozostają, wskutek procesu chemicznego, na anodzie. Cały cykl kończy się procesem elektrochemicznym, wskutek którego utlenia się mała ilość dwutlenku litowo-kobaltowego na katodzie i redukuje mała ilość dwutlenku tytanu na anodzie. Wznowienie nacisku na ogniwo powtarza cały cykl ładowania. Podłączenie katody i anody do złącza elektrycznego wywołuje przepływ elektronów i przepływ jonów litu do katody.
Używając mechanicznego nacisku przy częstotliwości 2,3 Hz naukowcy z Georgia Tech zwiększyli napięcie w ogniwie z 32. mV do 395 mV w ciągu 4 minut. Ogniwo rozładowało się do poprzedniego napięcia w przy natężeniu 1 mA w około 2 minuty. Badacze twierdzą iż z testów wynika że jedno ogniwo będzie w stanie posiadać moc 0.036 mAh.