[發明專利]一種壓電驅動自充電電池隔膜及其制備方法

在審

• 申請號: 201710323543.0
• 申請日: 2017-05-10
• 公開（公告）號: CN107195836A
• 公開（公告）日: 2017-09-22
• 發明（設計）人: 王增梅;韋桂
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01M2/14
• 分類號: H01M2/14;H01M2/16;H01M10/46
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明屬于高分子材料的技術領域，具體涉及一種用于壓電驅動自充電電池隔膜的PVDF/BCT-BZT壓電復合薄膜和該薄膜的制備方法

背景技術

2012年，由薛欣宇和王思泓等組成的研究組在佐治亞理工學院王中林教授的領導下，首次提出了一種全新的結構機制，這種全新的機制將能量轉換與能量存儲兩個過程融合成一步實現。他們利用巧妙的器件結構設計，使納米發電機和鋰電池兩種結構融合成一個器件單元——自充電能量單元(即self-charging power cell，縮寫為SCPC)。這個自充電能量單元能夠直接利用周圍環境中的機械振動或形變完成自發電和充電的過程，實現了在單一器件中將機械能直接轉換并存儲。由于自充電能量單元與電池相似，并且它的基本結構是基于電池的結構，自充電能量單元也被稱作自充電電池。(Xue X,Wang S,Guo W,et al.Hybridizing energy conversion and storage in a mechanical-to-electrochemical process for self-charging power cell[J].Nano Letters,2012,12(9):5048-5054.)

自充電電池的結構設計是在鋰離子電池的基本結構(包括正極、隔膜、負極與電解液)的基礎之上，使用具有壓電效應的聚偏二氟乙烯(PVDF)膜取代鋰離子電池中聚乙烯(PE)膜作為自充電電池的隔膜。極化過后的PVDF膜具有良好的壓電效應，當它受到外部的壓力的時候，PVDF膜在垂直的方向上會發生壓縮形變，這使得在PVDF的厚度方向上會產生了一個由正極指向負極的壓電電場。在該壓電電場的作用下，電解液中的鋰離子則會從電池的正極附近通過PVDF膜移動到負極附近，來屏蔽壓電電場。鋰離子的移動改變了電解液中鋰離子的均勻分布，破壞了電池正負極處的氧化還原反應的平衡，通過這種壓電電化學過程實現電池的自充電反應。由此可見，作為壓電隔膜的PVDF基薄膜是影響SCPC性能的關鍵組成，因此開發一個高性能的壓電隔膜對SCPC能夠更廣泛的應用非常重要。

目前對于SCPC的PVDF基壓電隔膜的改性主要有兩種方法，一種是采用刻蝕的手段得到多孔的純β相PVDF薄膜(Kim Y S,Xie Y,Wen X,et al.Highly porous piezoelectric PVDF membrane as effective lithium ion transfer channels for enhanced self-charging power cell[J].Nano Energy,2015,14:77-86.和Xing L,Nie Y,Xue X,et al.PVDF mesoporous nanostructures as the piezo-separator for a self-charging power cell[J].Nano Energy,2014,10:44-52.)，另一種是在PVDF薄膜的基礎上進行壓電相的復合，目前該方向的報道還很少，只有2014年張巖課題組提出的將PZT納米顆粒與PVDF復合得到PVDF-PZT納米復合薄膜應用于壓電驅動自充電電池的研究，文中是采用直接將PVDF粉體與PZT納米顆粒在DMF中混合均勻后再懸涂、干燥的方法得到的PVDF-PZT納米復合薄膜。(Zhang Y,Zhang Y,Xue X,et al.PVDF-PZT nanocomposite film based self-charging power cell[J].Nanotechnology,2014,25(10):105401.)。文中選擇的作為壓電相復合的PZT納米顆粒，雖然使得SCPC的壓電輸出有一定提高，但復合薄膜的孔隙度并不高，而且納米微球的摻雜在一定程度上反而會阻礙鋰離子在薄膜中的傳輸。

2015年Li Cheng提出了一種利用靜電紡絲制備BCT-BZT納米短纖維的方法(Li Cheng，Miaomiao Yuan，Long Gu etc.Wireless power-free and implantable nanosystem for resistance-based biodetection.Nano Energy(2015)15，598–606)，但其對短纖維的研磨時間和纖維長度的關系、纖維的配比和薄膜孔隙度的關系以及復合薄膜厚度的影響等問題均未涉及。