[发明专利]自充电锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池，尤其是涉及一种能够同步收获能量和储存电荷的自充电锂离子电池。

背景技术

锂离子电池是一种充电电池，由于其应用方便，便于携带等优点，在日常生活中被广泛应用。锂离子电池是由锂电池发展而来的，其由正极、电解质、负极、聚合物隔膜组成。正极材料通常采用含锂离子的化合物，例如锰酸锂、钴酸锂、镍钴锰酸锂等。聚合物隔膜上通常设有微孔结构，可以让锂离子自由通过，而电子不能通过。锂离子电池工作原理为：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时，Li+从负极脱嵌，经过电解质回到正极。传统锂离子电池依靠通过外部电源才能完成自身的充电，电池只是电荷的储存装置。

对于便携式电子产品和电动车辆，锂离子电池是它们最重要的电源之一。对锂离子电池充电，通常需要外部电源提供恒定的电流或电压。因此，在出差、停电等一些有可能缺少外部电源的情况下，锂离子电池的充电存在一定的困难，对人们的使用引起不便。

压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料，压电材料可以因机械变形产生电场。以往压电材料的尺寸是几微米至几十微米，随着科技的日益发展，该尺寸已不能满足需要。随着纳米技术的发展，越来越多的纳米压电材料被研制出来，并应用在科研、生活、工业生产的各个领域。

2006年，美国佐治亚理工学院教授王中林等成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，研制出世界上最小的发电机-纳米发电机。纳米发电机的基本原理是：当纳米线（NWs）在外力下动态拉伸时，纳米线中生成压电电势，相应瞬变电流在两端流动以平衡费米能级。

目前并没有技术或构思能将压电材料或纳米发电机应用到锂离子电池中，以使锂离子电池在不需要外加电源的情况下完成充电。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有锂离子电池需要外部电源的缺陷，提供一种自充电锂离子电池，能够应用纳米发电机产生的电场完成锂离子电池的充电，使用便捷，特别适用于外部电源匮乏的场合使用。

本发明的自充电锂离子电池，在压力或超声波作用下，高能量转换效率的纳米压电机能够为锂离子从正极移动到负极并嵌入提供足够的电势，这样，本发明的自充电锂离子电池处于充电状态。重复上述施加压力或超声波-纳米压电机产生电势-锂离子从正极移动到负极并嵌入的过程，能够使锂离子电池达到完全充满的状态。本发明自充电锂离子电池具有在各种领域中应用的潜能。

为了解决上述技术问题，本发明提供的第一技术方案是，一种自充电锂离子电池，包括第一集电器1，压电纳米线阵列2，第二集电器3，正极材料层4，聚合物隔膜5，负极材料层6，电解质（图未示），以及高分子绝缘层7；第一集电器1与第二集电器3平行放置；多个压电纳米线阵列2横跨第一集电器1和第二集电器3设置在第一集电器1与第二集电器3之间，且压电纳米线阵列2相互之间存在分隔间隙；所述压电纳米线阵列2上覆盖有所述高分子绝缘层7；正极材料层4，聚合物隔膜5和负极材料层6依次间隔设置在压电纳米线阵列2的分隔间隙中，且正极材料层4或负极材料层6分别与第一集电器1或第二集电器3连接；以及分别在正极材料层4与聚合物隔膜5、聚合物隔膜5与负极材料层6之间填充电解质（图未示）。

所有压电纳米线层作为一个整体被分隔成多个分块区，每个分块区即为一个压电纳米线阵列2，因此形成多个彼此之间存在分隔间隙的压电纳米线阵列2。本发明对压电纳米线阵列2的分隔方式没有特殊规定，满足压电纳米线阵列2相互之间存在分隔间隙，且分隔间隙能够放置正极材料层4、聚合物隔膜5和负极材料层6的分隔方式，如井字分割、米字分割、斑马线分割等，都在本发明的保护范围之内。

前述的自充电锂离子电池，所述第一集电器和第二集电器所用材料分别独立的选自铝、铜、镍、聚苯胺、聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩、聚对位亚苯基或聚苯乙炔。

前述的自充电锂离子电池，所述压电材料是氧化锌纳米线、锆钛酸铝纳米线或钛酸钡纳米线。

前述的自充电锂离子电池，所述高分子绝缘层7所用材料是聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷。

前述的自充电锂离子电池，所述负极材料层中所用活性材料是石墨，碳纳米管，碳纤维。

前述的自充电锂离子电池，所述正极材料层中所用活性材料是锰酸锂、磷酸铁锂、钴酸锂或Li-Ni-Co-Mn-O三元正极材料。

前述的自充电锂离子电池，以井字分割、米字分割或斑马线分割的分隔方式，形成多个相互之间存在分隔间隙的压电纳米线阵列2。