青島儲(chǔ)能研究院采用“剛?cè)岵?jì)”設(shè)計(jì)理念 研發(fā)出新型電解質(zhì)電池

時(shí)間:2015-11-26 08:50來(lái)源:青島生物能源與過(guò)程研究所 作者:西顧
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          高效、安全、可靠的動(dòng)力電池是制約新型近零排放汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的瓶頸，也是新能源汽車(chē)的“短板”之一。當(dāng)前動(dòng)力電池存在的最大安全隱患是電池?zé)崾Э兀袊?guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所青島儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院在開(kāi)發(fā)高安全性動(dòng)力電池聚合物電解質(zhì)材料體系解決該安全問(wèn)題方面取得了階段性進(jìn)展，并正快速推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
 
          現(xiàn)有的鋰離子電池液體電解質(zhì)體系，不能滿(mǎn)足動(dòng)力電池對(duì)高能量、高功率和安全性等多方面的要求。青島儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出了“剛?cè)岵?jì)”的研發(fā)思路，開(kāi)發(fā)出一系列新型聚合物電解質(zhì)體系，很好地解決了上述瓶頸問(wèn)題，同時(shí)大幅提升了安全使用性能。“剛?cè)岵?jì)”就是使用“剛”性骨架材料，如聚酰亞胺、芳綸、聚芳砜酰胺、玻璃纖維和纖維素等(Nano Energy, 2014, 10, 277-287; Solid State Ionics, 2013, 245-246, 49-55；232, 44-48; Journal of the Electrochemical Society, 2013, 161, A1032-A1038; Progress in Polymer Science, 2015, 43, 136-164)無(wú)紡布材料，改善電池的力學(xué)性能和尺寸熱穩(wěn)定性能；利用“柔”性離子傳輸材料，如聚環(huán)氧乙烷(PEO)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、氰基丙烯酸酯和聚碳酸丙烯酯(PPC)等賦予優(yōu)異的離子傳導(dǎo)性和界面穩(wěn)定性，通過(guò)“并濟(jì)”即兩種或多種材料復(fù)合達(dá)到多贏的效果，實(shí)現(xiàn)綜合性能的大幅提高，進(jìn)而滿(mǎn)足動(dòng)力電池的要求。
 
         敬天惜物、取法自然，該研究探究“剛?cè)岵?jì)”的復(fù)合聚合物電解質(zhì)體系，實(shí)現(xiàn)剛?cè)岬膶?duì)立統(tǒng)一，來(lái)實(shí)現(xiàn)力學(xué)強(qiáng)度、耐熱性能、電位窗口、界面穩(wěn)定性和離子導(dǎo)電率等綜合性能的提升。 
 
 
 
圖1 “剛?cè)岵?jì)”聚合物電解質(zhì)的設(shè)計(jì)理念
 
          傳統(tǒng)的偏氟乙烯類(lèi)體系雖然具有高的穩(wěn)定性和較高的電位窗口等優(yōu)點(diǎn)，但離子導(dǎo)電率較低、濕態(tài)下其力學(xué)強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性很差，為改善傳統(tǒng)的偏氟乙烯類(lèi)的凝膠聚合物電解質(zhì)的性質(zhì)，研究團(tuán)隊(duì)采用其與聚酰亞胺和聚砜酰胺等無(wú)紡布材料納米尺度復(fù)合，剛?cè)岵?jì)、渾然一體，提升尺寸熱穩(wěn)定性和力學(xué)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)其綜合性能的提升(Journal of the Electrochemical Society, 2013, 160, A769-A774; Macromolecular Materials and Engineering, 2013, 298, 806-813；ACS Appl. Mater. Interfaces, 2013, 5, 128-134)；針對(duì)其鋰離子遷移系數(shù)低的問(wèn)題，研發(fā)了新型的單離子聚合物硼酸鋰鹽作為表面增強(qiáng)材料(Coordination Chemistry Reviews, 2015, 292, 56-73 ；Journal of Materials Chemistry A, 2015, 3， 7773-7779)提高其離子遷移數(shù)和相容性，“剛?cè)岵?jì)、相輔相成”提升電池系統(tǒng)綜合性能。
 
 
 
圖2 室溫聚碳酸酯基全固態(tài)聚合物電解質(zhì)的制備流程圖
 
          傳統(tǒng)的聚丙烯腈的聚合物電解質(zhì)具有較高的離子導(dǎo)電率優(yōu)點(diǎn)，但物性較脆，加工性能不好，研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用新型的聚合物電解質(zhì)基體(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7, 4720-4727；Electrochim. Acta 2015, 157, 191-198；Electrochem.Comm. DOI : 10.1016/j.elecom.2015.10.009)，結(jié)合“剛?cè)岵?jì)”的設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)了腈基聚合物電解質(zhì)加工性能等綜合性能的提升。
           凝膠的聚合物電池在提高動(dòng)力電池的安全性方面起了重要的作用，但仍采用少量易揮發(fā)和燃燒的碳酸酯類(lèi)溶劑，在高溫或極端條件下使用時(shí)仍存在一定的安全隱患，難以完全滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)對(duì)動(dòng)力鋰電池在高能量和安全性能等方面的苛刻要求。因此，開(kāi)發(fā)新型高安全性全固態(tài)電解質(zhì)體系對(duì)提升高能量密度動(dòng)力鋰電池的綜合性能具有重要意義。
 
            針對(duì)傳統(tǒng)的PEO體系的較低的電位窗口和較差的尺寸熱穩(wěn)定性和力學(xué)強(qiáng)度，研究人員采用高電位的氰基丙烯酸酯作為提升電位窗口的材料；同時(shí)采用熱固性的纖維素?zé)o紡膜作為剛性骨架，提供尺寸熱穩(wěn)定性和部分改善力學(xué)強(qiáng)度，開(kāi)發(fā)出一款力學(xué)強(qiáng)度高、電化學(xué)窗口寬以及尺寸熱穩(wěn)定性好的高安全性全固態(tài)聚合物電解質(zhì)，相關(guān)研究成果發(fā)表在國(guó)際期刊(Scientific Reports, 2014, 4, 6272)。針對(duì)PEO的室溫離子導(dǎo)電率較低的瓶頸問(wèn)題，研究人員立足科學(xué)問(wèn)題本身，從影響離子電導(dǎo)率的分子結(jié)構(gòu)出發(fā)，結(jié)合離子傳輸機(jī)理與動(dòng)力學(xué)傳輸?shù)亩喑叨葯C(jī)制，設(shè)計(jì)出一款無(wú)定形的聚碳酸酯基室溫全固態(tài)聚合物電解質(zhì)，經(jīng)表征發(fā)現(xiàn)：該款全固態(tài)聚合物電解質(zhì)室溫電導(dǎo)率可達(dá)到10-4S/cm數(shù)量級(jí)，電化學(xué)窗口為4.6 V，倍率性能較好，室溫長(zhǎng)循環(huán)1000圈容量保持率為90%。相關(guān)研究成果發(fā)表在國(guó)際期刊(Advanced Energy Materials, DOI: 10.1002/aenm.201501082)。
 
 
 
圖3 全固態(tài)聚合物鋰電池的四次針刺照片
 
            該研究團(tuán)隊(duì)制備的全固態(tài)聚合物鋰電池用針刺試驗(yàn)驗(yàn)證其安全性能(圖3)。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：組裝的6 Ah大容量三元體系全固態(tài)聚合物鋰電池顯示出極佳的安全性能，經(jīng)四次針刺后，全固態(tài)鋰電池不起火，不爆炸，這是傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池所無(wú)法比擬的。這再次證明“剛?cè)岵?jì)”電解質(zhì)體系在提升高能量密度鋰電池安全性能方面的優(yōu)勢(shì)。
 
           青島儲(chǔ)能研究院采用“剛?cè)岵?jì)”的電解質(zhì)設(shè)計(jì)理念實(shí)現(xiàn)了在高能量密度聚合物電解質(zhì)電池關(guān)鍵材料研制方面的一系列進(jìn)展，并與中天科技公司合作開(kāi)發(fā)大容量高安全動(dòng)力或者儲(chǔ)能用單體電池(能量密度達(dá)到300 Wh/kg)的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，協(xié)力推進(jìn)高能量高安全的全固態(tài)動(dòng)力電池的產(chǎn)業(yè)化。同時(shí)研發(fā)團(tuán)隊(duì)將此設(shè)計(jì)理念應(yīng)用于積極探索新一代的超高能量密度的鋰空二次電池的開(kāi)發(fā)，且已有可喜進(jìn)展。(Adv. Science，2015，DOI: 10.1002/advs.201500092)。
 
           以上工作得到中國(guó)科學(xué)院納米專(zhuān)項(xiàng)、中科院青島能源所135項(xiàng)目支持和山東省前瞻性專(zhuān)題基金支持。
 
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    記者從多位知情人士處獲悉，能源互聯(lián)網(wǎng)行動(dòng)的指導(dǎo)意見(jiàn)可能會(huì)在近期下發(fā)。此前，有說(shuō)法稱(chēng)這一指導(dǎo)意見(jiàn)的下發(fā)時(shí)間是去年12月底，前述一位知情人士表示，下發(fā)時(shí)間可能在一月前后。 記者掌握的相關(guān)討論稿中，多次提及了充電及儲(chǔ)能等領(lǐng)域的發(fā)展方向，同時(shí)國(guó)家或繼
    2016-01-06 09:56
本月熱點(diǎn)

  • 注冊(cè)資本近1.15億元！兩巨頭成立電池回收企業(yè)

    近日，廣州優(yōu)美再生技術(shù)有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)廣州優(yōu)美）正式成立，公司由優(yōu)湃能源科技（廣州）有限公司與格林美集團(tuán)下屬武漢動(dòng)力電池再生技術(shù)有限公司有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)動(dòng)力再生）攜手打造。 據(jù)了解，廣州優(yōu)美注冊(cè)資本約1.15億人民幣，經(jīng)營(yíng)范圍含化工產(chǎn)品銷(xiāo)售
    2024-04-16 10:29

  • 寧德時(shí)代、科達(dá)利、特斯拉等發(fā)力這一新賽道！

    4月22日，科達(dá)利發(fā)布公告稱(chēng)，公司與臺(tái)灣盟立臺(tái)灣盟立、臺(tái)灣盟英擬共同投資深圳市科盟創(chuàng)新機(jī)器人科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)深圳科盟）并簽署《投資合作協(xié)議書(shū)》。深圳科盟并簽署《投資合作協(xié)議書(shū)》。深圳科盟注冊(cè)資本擬為人民幣1億元，其中公司以現(xiàn)金方式投入人
    2024-04-24 10:11

  • 續(xù)航里程1000公里！寧德時(shí)代發(fā)布神行PLUS電池

    4月25日，在2024北京車(chē)展上，寧德時(shí)代舉行乘用車(chē)新品發(fā)布會(huì)，發(fā)布神行PLUS電池，續(xù)航里程1000公里。同時(shí)，充電10分鐘可續(xù)航600公里。
    2024-04-25 17:53

  • 天奇股份牽手長(zhǎng)安汽車(chē) 共同打造動(dòng)力電池全生命周期產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)！

    天奇股份4月18日公告，擬與中國(guó)長(zhǎng)安、長(zhǎng)安汽車(chē)共同投資設(shè)立合資公司，并以合資公司為主體合作開(kāi)展電池回收、梯次利用及再生業(yè)務(wù)。目標(biāo)打造成為西南區(qū)域領(lǐng)先的電池回收標(biāo)桿企業(yè)。 合資公司的注冊(cè)資本為1.8億元，其中公司擬出資8820萬(wàn)元，持有合資公司49%的股
    2024-04-19 08:42

  • 50億元！這家公司擬在摩洛哥投建鋰電池負(fù)極材料項(xiàng)目

    4月26日晚間， 中科電氣 發(fā)布公告，宣布公司計(jì)劃通過(guò)其控股子公司湖南中科星城石墨有限公司，在中國(guó)香港或其他海外地區(qū)新設(shè)全資子公司， 以間接投資方式設(shè)立摩洛哥項(xiàng)目公司，實(shí)施一項(xiàng)年產(chǎn)10萬(wàn)噸鋰離子電池負(fù)極材料一體化基地項(xiàng)目 。 據(jù)了解， 項(xiàng)目計(jì)劃總投資
    2024-04-29 18:25

  • 全固態(tài)電池三大技術(shù)路線(xiàn)，誰(shuí)將最終勝出？

    近年來(lái)，憑借高密度、更安全性、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是“最具潛力的下一代鋰電池技術(shù)”的固態(tài)電池受到市場(chǎng)關(guān)注，最新消息不斷。
    2024-04-22 18:17

  • 鋰礦龍頭一季度預(yù)虧超36億元，收深交所關(guān)注函！

    4月23日晚間，天齊鋰業(yè)發(fā)布業(yè)績(jī)預(yù)告，預(yù)計(jì)今年第一季度同比由盈轉(zhuǎn)虧。 同日晚間，深交所對(duì)天齊鋰業(yè)下發(fā)關(guān)注函，要求其結(jié)合主營(yíng)業(yè)務(wù)開(kāi)展情況、產(chǎn)品產(chǎn)銷(xiāo)量、產(chǎn)品價(jià)格等，分析2024年一季度虧損較2023年四季度大幅增加的原因，并說(shuō)明是否存在持續(xù)虧損風(fēng)險(xiǎn)等。 鋰
    2024-04-25 09:30

  • 又有車(chē)企公布全固態(tài)電池量產(chǎn)時(shí)間！

    當(dāng)?shù)貢r(shí)間4月16日，日產(chǎn)汽車(chē)公開(kāi)全固態(tài)電池試生產(chǎn)線(xiàn)的預(yù)定設(shè)置場(chǎng)所，在生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)等的橫濱工廠建筑內(nèi)確保了約1萬(wàn)平方米空間，為搬入設(shè)備推進(jìn)施工。 日產(chǎn)計(jì)劃2025年3月開(kāi)始生產(chǎn)全固態(tài)電池，目標(biāo)2028年度實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。據(jù)日產(chǎn)介紹，全固態(tài)電池的能量密度是傳統(tǒng)鋰離
    2024-04-18 08:43
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