[发明专利]一种压电驱动自充电电池隔膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料的技术领域，具体涉及一种用于压电驱动自充电电池隔膜的PVDF/BCT-BZT压电复合薄膜和该薄膜的制备方法

背景技术

2012年，由薛欣宇和王思泓等组成的研究组在佐治亚理工学院王中林教授的领导下，首次提出了一种全新的结构机制，这种全新的机制将能量转换与能量存储两个过程融合成一步实现。他们利用巧妙的器件结构设计，使纳米发电机和锂电池两种结构融合成一个器件单元——自充电能量单元(即self-charging power cell，缩写为SCPC)。这个自充电能量单元能够直接利用周围环境中的机械振动或形变完成自发电和充电的过程，实现了在单一器件中将机械能直接转换并存储。由于自充电能量单元与电池相似，并且它的基本结构是基于电池的结构，自充电能量单元也被称作自充电电池。(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.)

自充电电池的结构设计是在锂离子电池的基本结构(包括正极、隔膜、负极与电解液)的基础之上，使用具有压电效应的聚偏二氟乙烯(PVDF)膜取代锂离子电池中聚乙烯(PE)膜作为自充电电池的隔膜。极化过后的PVDF膜具有良好的压电效应，当它受到外部的压力的时候，PVDF膜在垂直的方向上会发生压缩形变，这使得在PVDF的厚度方向上会产生了一个由正极指向负极的压电电场。在该压电电场的作用下，电解液中的锂离子则会从电池的正极附近通过PVDF膜移动到负极附近，来屏蔽压电电场。锂离子的移动改变了电解液中锂离子的均匀分布，破坏了电池正负极处的氧化还原反应的平衡，通过这种压电电化学过程实现电池的自充电反应。由此可见，作为压电隔膜的PVDF基薄膜是影响SCPC性能的关键组成，因此开发一个高性能的压电隔膜对SCPC能够更广泛的应用非常重要。

目前对于SCPC的PVDF基压电隔膜的改性主要有两种方法，一种是采用刻蚀的手段得到多孔的纯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.)，另一种是在PVDF薄膜的基础上进行压电相的复合，目前该方向的报道还很少，只有2014年张岩课题组提出的将PZT纳米颗粒与PVDF复合得到PVDF-PZT纳米复合薄膜应用于压电驱动自充电电池的研究，文中是采用直接将PVDF粉体与PZT纳米颗粒在DMF中混合均匀后再悬涂、干燥的方法得到的PVDF-PZT纳米复合薄膜。(Zhang Y,Zhang Y,Xue X,et al.PVDF-PZT nanocomposite film based self-charging power cell[J].Nanotechnology,2014,25(10):105401.)。文中选择的作为压电相复合的PZT纳米颗粒，虽然使得SCPC的压电输出有一定提高，但复合薄膜的孔隙度并不高，而且纳米微球的掺杂在一定程度上反而会阻碍锂离子在薄膜中的传输。

2015年Li Cheng提出了一种利用静电纺丝制备BCT-BZT纳米短纤维的方法(Li Cheng，Miaomiao Yuan，Long Gu etc.Wireless power-free and implantable nanosystem for resistance-based biodetection.Nano Energy(2015)15，598–606)，但其对短纤维的研磨时间和纤维长度的关系、纤维的配比和薄膜孔隙度的关系以及复合薄膜厚度的影响等问题均未涉及。