Ogniwo, generator i bateria czyli nowy wynalazek naukowców

Nowe ogniwo pozwala na wytwarzanie i składowanie energii w jednym układzie

Naukowcy z USA opracowali samoładujący się akumulator, który przekształca energię mechaniczną na chemiczną. Jednocześnie ogniwo to działa jak bateria, przechowując energię do momentu jej użycia. Innowacyjne rozwiązanie jest bardziej efektywne niż stosowany do tej pory zespół składający się z osobnego generatora i baterii.

Energią mechaniczną, która porusza nowe ogniwo mogą być zwykle kroki idącego człowieka. Ten ruch wystarczy, aby zapewnić energię potrzebną do działania małego kalkulatora. Z kolei ogniwa hybrydowe o wielkości zwykłej baterii pastylkowej mogą dostarczyć mocy niezbędnej do działania małych urządzeń elektronicznych, znajdujących się w wyposażeniu żołnierza. Całodzienny marsz pozwoliłby więc na całkowite naładowanie takich ogniw.

Jak przyznał w opisie nowego ogniwa prof. Zhong Lin Wang, wytwarzanie energii i jej magazynowanie z reguły odbywa się w dwóch różnych kategoriach urządzeń. Nowe urządzenie jest jednak zintegrowanym ogniwem samoładującym, które udowadnia, że istnieje nowa technologia pozwalająca na wytwarzanie i składowanie energii w jednym układzie.

Zespół prof. Zhong Lin Wanga, skonstruował i sprawdził ponad 500 ogniw. Testy potwierdzają, że nowe ogniwo będzie ponad pięciokrotnie wydajniejsze w konwersji energii mechanicznej na chemiczną niż obecnie konstruowane systemy, które przewidują konwersje i przechowywanie energii dwóch oddzielnych układach.

Najważniejszy element zastosowany w nowym ogniwie przez zespół naukowców z Georgia Institute of Technology to piezoelektryczna membrana. Umożliwia ona przechodzenie jonów litu z jednej strony ogniwa na drugą, podczas gdy na membranę oddziałuje siła mechaniczna. Jony przechodzące poprzez tą membranę, spolaryzowaną potencjałem piezoelektrycznym, są magazynowane jako energia chemiczna wyprodukowana w procesie elektrochemicznym.

Ogniwo składa się z katody z dwutlenku kobaltowo-litowego (LiCoO2)  oraz z anody z filmu tytanowego, na którym ułożone są nanorurki z dwutlenku tytanu(TiO2). Obie te elektrody separuje membrana z filmu wykonanego z polifluorku winylidenu (PVDF), który tworzy pod naciskiem potencjał piezoelektryczny. Wówczas membrana ładuje jony przechodzące od katody do anody, gdzie przybierają postać tlenku litowo-tytanowego.

Ładowanie odbywa się w cyklach – nacisk na ogniwo powoduje powstanie potencjału piezoelektryczny, który uruchamia przepływ jonów litu aż do osiągnięcia równowagi między dwoma elektrodami. Kiedy ustanie nacisk na ogniwo, efekt piezoelektryczny w PVDF kończy się i jony litu zostają, wskutek procesu chemicznego, na anodzie. Cały cykl kończy proces elektrochemiczny, który powoduje utlenienie się małej ilości dwutlenku litowo-kobaltowego na katodzie i redukcję małej ilość dwutlenku tytanu na anodzie. Ponowny nacisku na ogniwo powtarza cały cykl ładowania. Podłączenie katody i anody do złącza elektrycznego wyzwala 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 327 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.

(ma)