[發明專利]一種電池及其制造方法

有效

• 申請號: 201110355283.8
• 申請日: 2011-11-10
• 公開（公告）號: CN103107380A
• 公開（公告）日: 2013-05-15
• 發明（設計）人: 王中林;李澤唐;江鵬
• 申請（專利權）人: 國家納米科學中心
• 主分類號: H01M10/46
• 分類號: H01M10/46
• 代理公司: 北京泛華偉業知識產權代理有限公司 11280
• 代理人: 王勇

技術領域

本發明涉及一種可自充電的電池，尤其涉及一種內置納米發電機的電池。

背景技術

隨著電子技術的飛速發展，各種電子產品如傳感器等不斷出現，甚至出現了納米傳感系統和應用技術，為其提供電源的可充電電池市場也不斷擴大，像鋰離子、鎳氫電池等高容量，壽命長的綠色二次電池備受推崇，已經占領了小型移動市場的大部分份額。但是，在微納系統應用領域，特別是針對環境系統或人體系統的持續探測系統，如周圍環境的溫度壓力傳感器，人體起搏器，脈搏傳感器等醫療微納器械共同存在需要長期供電，同時面對環境或人體中的低頻振動能量。如果能將環境中收獲能量作為供電能源，將為未來物聯網發展提供在線監測和傳感的持續動力之源。

目前所有的二次充電電池都是通過外部電路進行充電的，這就需要定期專門為這些能量消耗盡的電池進行充電或者更換。然而，鋰電池、鎳鋅電池、鋅錳電池等充電電池都存在充放電的循環壽命問題。主要原因大體是由于金屬與電解液中所含的諸如水或有機溶劑一類的雜質發生了反應，從而形成了一個絕緣膜，這一絕緣膜的形成會使金屬在充電操作期間產生枝狀晶體，在反復的充放電循環中會導致陽極和陰極間發生內部短路，因此，這種充電電池的充放電壽命被大大的縮短了。

例如，鋅錳電池的電化學反應原理可簡單地表示為：

正極：MnO2+H⁺+e→MnOOH

負極：Zn+2NH₄Cl→Zn(NH₃)₂Cl₂↓+2H⁺+2e

總反應式：Zn+2MnO₂+2NH₄Cl→2MnOOH+Zn(NH₃)₂Cl₂↓

由反應式可以看出，正極二氧化錳放電時發生還原反應，使溶液中的H⁺濃度減少，所以電解液的pH值增高，堿性增大，使二氧化錳電極電位向負的方向移動。負極鋅放電時，發生氧化反應，鋅電極的濃差極化使鋅電極電位向正的方向移動。因此電極極化導致的金屬枝狀晶體逐漸生長，從而造成陽極和陰極間的內部短路。當陽極與陰極發生內部短路時，電池擁有的能量在內部短路部位被很快地消耗了，這樣就造成電池發熱，或是由于電解質溶液受熱分散而產生氣體導致電池內部的壓力升高，進而導致充電電池損壞，縮短電池壽命。

迄今為止，所有的二次充電電池都是在外接充電電路驅動下充電的，在充電過程中，尤其是在使用含極少量的汞或不含汞的鋅充電電池中，在充電/放電循環期間可能發生短路，目前對于阻止發生枝狀晶體鋅短路的方法主要在隔板的阻擋層功能。

最近，壓電納米線已經應用到收獲環境中的機械能。納米線為基礎的納米發電機的研究成為熱點(2006，Science；2008，Nature)，其通過壓力誘導應變產生壓電效應將機械能轉化為電能，并釋放出來。由于納米線的尺寸非常小，為促使產生機械變形所需的力也很小。但是納米發電機的發電電壓雖然已經可以達到3V左右，但功率目前還無法達到原電池水平。更為重要的是，由于納米發電機的電為脈沖電，瞬時出現和消失，在自然環境中必須可以收集并將能量長期存儲起來才可以為實際應用打下基礎。

因此需要開發一種新的方法，既能夠收集環境低頻機械能，同時又可以通過環境低頻充電過程而消除電極極化導致的枝狀晶體及受熱膨脹。

發明內容

本發明的目的在于提供一種通過電池自身收集環境機械能并將其儲存的電池，并能克服電極枝晶極化問題。

本發明提供了一種電池，包括：

正電極層，含有陽極活性材料；

負電極層，含有陰極活性材料，與陽極活性材料形成電極對；

正電極層和負電極層之間的納米發電機層，具有質子通透性；

其中正電極層、負電極層和納米發電機層中的至少一層含有電解質。

根據本發明提供的電池，其中納米發電機層為有機壓電材料。

根據本發明提供的電池，其中所述有機壓電材料多孔聚偏氟乙烯。

根據本發明提供的電池，其中納米發電機層為無機壓電材料與有機聚合物的復合材料。

根據本發明提供的電池，其中所述復合材料為多孔聚偏氟乙烯及其上生長的氧化鋅納米線，或者為多孔聚偏氟乙烯及其上隨機排布的錐形氧化鋅納米線。

根據本發明提供的電池，其中正電極層和負電極層中還包括凝膠劑。

根據本發明提供的電池，其中所述電解質固態電解質或液態電解質。