青島生物能源與過程研究所突破動力電池隔膜關(guān)鍵技術(shù)
2014-04-13 17:57:32
admin
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據(jù)中科院網(wǎng)2013年7月1日訊 生物質(zhì)材料具有來源豐富、可再生等優(yōu)點，在可持續(xù)能源材料開發(fā)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。以海洋中豐富的海藻多糖、甲殼素等生物質(zhì)材料為基礎(chǔ)，研究開發(fā)高性能的能源材料具有重要的生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益。
近日，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所仿生能源與儲能系統(tǒng)團隊負(fù)責(zé)人崔光磊等在海洋生物質(zhì)能源材料研究領(lǐng)域取得一系列新進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表在ACS Appl Mater Interfaces、J. Electrochem. Soc.、Electrochim Acta、J Mater Chem等雜志，并有多項發(fā)明專利獲得授權(quán)。
通過低成本無紡布加工技術(shù)利用生物質(zhì)纖維素材料和耐溫聚合物材料制備復(fù)合動力電池隔膜（ACS Appl Mater Interfaces 2013, 5, 128-134.），與傳統(tǒng)聚烯烴隔膜相比，以生物質(zhì)纖維素為原料，成本低廉，綠色環(huán)保。同時，該隔膜由于獨特的極性和化學(xué)、物理結(jié)構(gòu)，具有很好的電解液浸潤性、較高的孔隙率和離子電導(dǎo)率，具有適宜的機械強度和優(yōu)異的耐高溫性能。該團隊通過隔膜材料設(shè)計與成型過程集成創(chuàng)新，解決了動力電池隔膜關(guān)鍵技術(shù)問題，構(gòu)建了低成本高性能的動力電池隔膜產(chǎn)業(yè)化技術(shù)體系，在材料制備和核心設(shè)備領(lǐng)域已獲授權(quán)發(fā)明專利3項（ZL201110147715.6，ZL201110147725.X，ZL201220602823.8）。
開發(fā)低成本的本征阻燃復(fù)合隔膜體系對提高動力電池安全性能意義重大。該團隊研發(fā)的聚芳砜酰胺/海藻酸鈉/二氧化硅復(fù)合隔膜具有高孔隙率和電解液吸收率、優(yōu)異的阻燃性能和耐高溫性能（J. Electrochem. Soc., 2013, 160 (6), A769-A774）。以該聚芳砜酰胺基復(fù)合隔膜組裝的鋰離子電池即使在120攝氏度溫度下使用也可以進(jìn)行快速充放電。該聚芳砜酰胺基復(fù)合隔膜特別適用于高安全性動力鋰離子電池，此項具有自主知識產(chǎn)權(quán)的隔膜技術(shù)將會促進(jìn)我國高端電池隔膜產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
油系粘結(jié)劑（例如聚偏氟乙烯）在鋰離子電池極片生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，但在漿料制備過程中需要使用大量的二甲基吡咯烷酮作溶劑，生產(chǎn)成本高，還會污染環(huán)境，而且楊式模量低，脆性大，柔韌性不好，抗拉強度低，以此為粘結(jié)劑制備的電極片容易出現(xiàn)“掉料”現(xiàn)象，電極片在充放電過程中也容易出現(xiàn)由于極片內(nèi)應(yīng)力造成的斷面和裂紋。海洋生物質(zhì)材料海藻多糖、甲殼素等具有優(yōu)異的黏結(jié)性能，但成膜性不好。該團隊通過對海洋生物質(zhì)材料進(jìn)行功能化修飾，提高成膜性和電化學(xué)的穩(wěn)定性，開發(fā)出新型高性能海洋生物質(zhì)水系粘結(jié)劑。該粘結(jié)劑彈性模量高，經(jīng)濟環(huán)保，可承受電極循環(huán)過程中活性物質(zhì)顆粒在一定程度上的膨脹與收縮，特別適合硅系高能量密度的電極材料和高電位的正極材料。高穩(wěn)定性的水性粘合材料的研發(fā)為鋰動力電池的綠色生產(chǎn)工藝提供了重要的原料與技術(shù)支撐，對推進(jìn)藍(lán)色產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展具有重要的支撐作用。目前，該研究已申請發(fā)明專利4項。
傳統(tǒng)電解質(zhì)中的六氟磷酸鋰鹽，制備條件苛刻, 成本高，熱穩(wěn)定性差，對水也極其敏感。該團隊利用生物質(zhì)原料設(shè)計與合成新型的生物基聚合型硼酸鋰鹽（Electrochim Acta 2013, 92, 132-138.），具有優(yōu)異的耐熱性、高的鋰離子遷移數(shù)和離子導(dǎo)電率，為動力電池的開發(fā)提供了耐高溫、安全的電解質(zhì)體系，該聚合物電解質(zhì)可大大提升電池的安全性能。該研究已申請發(fā)明專利2項。
該團隊基于高性能隔膜、粘結(jié)劑和電解質(zhì)鹽技術(shù)進(jìn)展，以具有良好的嵌鋰性能的高比容量金屬氮化物復(fù)合材料為電極材料，采用先進(jìn)的預(yù)嵌鋰技術(shù)，優(yōu)化電解液中的微量添加劑組成，輔以自主研發(fā)的隔膜，減小電容器內(nèi)阻，提高電解液/隔膜界面穩(wěn)定性，提高超級電容器的循環(huán)性能，構(gòu)建高能量密度的超級電容器，開發(fā)出能量密度與鉛酸電池相當(dāng)，性價比優(yōu)良的環(huán)保儲能電池（J Mater Chem, 2012, 22, 24918；J. Mater Chem A, 2013, 1, 5949；ACS Nano, 2013, DOI: 10.1021/nn401402a）。目前，該團隊正在優(yōu)化電容器器件結(jié)構(gòu)，希望開發(fā)性能更加優(yōu)越的鋰離子電容器儲能器件。該領(lǐng)域的研究已獲發(fā)明專利授權(quán)4項（ZL200910226430.4、ZL201010104001.2、ZL201010104003.1、ZL201010108048.6）。
上述研究獲得中科院納米先導(dǎo)專項，科技部“973”、“863”科技專項項目，國家自然科學(xué)基金以及企業(yè)對海洋生物質(zhì)能源材料研究的支持。