Zelf-ladende vermogenscel converteert en bewaart energie

Het hart van de zelf-ladende vermogenscel wordt gevormd door een piëzo-elektrisch membraan dat lithiumionen van de ene kant van de cel naar de andere stuurt als dat membraan door mechanische druk wordt gedeformeerd. De sturende kracht is het piëzo-elektrische potentiaal van het gepolariseerde membraam en de lithiumionen worden met behulp van een elektrochemische proces opgeslagen als chemische energie. Door een drukkracht uit te oefenene, bijvoorbeeld via de hak van een schoen op het trottoir, genereert de cel voldoende vermogen om een kleine calculator  te voeden. Een hybride vermogenscel ter grootte van een knoopcelbatterij kan kleine elektronische apparaten voeden.

"Mensen zijn gewend opm het opwekken en oplsaan van elektriciteit te beschouwen als twee afzonderlijke activiteiten," zegt professor  Zhong Lin Wang, van de  School of Materials Science and Engineering van het Georgia Institute of Technology. "Wij hebben ze samengebracht in een enkele hybride cel om een nieuwe techniek voor conversie en opslag te demonstreren."

De vermogenscel bestaat uit een kathode van lithiumkobaltoxide (LiCoO₂) en een anode van titaniumdioxide (TiO₂) nanobuisjes die zijn aangegroeid op een titanium film. De twee elektroden zijn gescheiden door en membraan van PVDF-film (polyvinylideenfluoride),  dat een piëzo-elektrische lading produceert als er kracht op wordt uitgeoefend. Als de vermogenscel wordt samengedrukt genereert de PVDF-film een piëzo-elektrisch potentiaal dat dient als ladingspomp om de lithiumionen van de kathode naar de anode te sturen. Op de anode wordt de energie dan opgelsagen als lithium-titaniumoxide. De ladingscyclus wordt voltooid doordat een elektrochemisch proces  een kleine hoeveelheid lithiumkobaltoxide aan de kathode oxideert tot Li₁-xCoO₂ en een kleine hoeveelheid titaniumdioxide aan de anode reduceert tot Li_xTiO₂.

Als tussen anode en kathode een elektrische belasting wordt aangesloten, stromen elektronen naar de belasting en de lithiumionen in de cel gaan terug van de anode naar de kathode.

Xinyu Xue, Sihong Wang, Wenxi Guo, Yan Zhang en Zhong Lin Wang, Hybridizing Energy Conversion and Storage in a Mechanical-to-Electrochemical Process for Self-Charging Power Cell, Nano Letters. DOI: 10.1021/nl302879t