基本信息
- 项目名称：
- 羧甲基纤维素锂的制备及其流变性质的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 通过利用羧甲基纤维素钠的酸化反应制备出羧甲基纤维素氢，再利用羧甲基纤维素氢的中和反应制备出羧甲基纤维素锂，同时考察了羧甲基纤维素锂的流变性质
- 详细介绍：
- 本文以羧甲基纤维素钠（CMC-Na）为原料，羧甲基纤维素钠经过酸化反应和中和反应后制备出羧甲基纤维素锂（CMC-Li），根据锂离子原子吸收研究了影响制备羧甲基纤维素锂的因素，研究结果表明：最佳的反应温度为35℃；最佳的酸化时间为10min；加入3mL12﹪氢氧化锂时，CMC-Li中Li离子的含量为0.7215mg/L，相对于-COOLi的取代度为0.23。通过FT-IR表征样品的结构，表明本文所制备出的样品为羧甲基纤维素锂。 本文研究了羧甲基纤维素锂的流变性质，并且考察了不同制备条件对羧甲基纤维素锂流变性质的影响。结果表明CMC-Li保持了与CMC-Na水溶液一致的流变特性，且CMC-Li比CMC-Na具有更强的非牛顿型流体特性，在剪切力的作用下比CMC-Na分子链更容易定向、伸展和解缠绕；酸化时间为7min时制备的羧甲基纤维素锂的零剪切粘度最大；不同的反应温度下制备的CMC-Li水溶液的粘度变化趋势相同，温度对样品的降解很小，反应温度为23℃时溶液的零剪切粘度最大。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 我国目前所生产的锂离子电池废弃后，因为腐烂后的电池中含有严重破坏我们环境的物质，已引起社会各界的广泛关注。 为了解决液态锂电池在这方面的问题，我们想寻找一种新型电解质来取代现在电池的电解液以减少污染。CMC-Li是一种离子型纤维素衍生物，除了具有锂电池电解质的普遍性能外，它还具有能天然降解、可再生及优良的导电性能等优点，并且来源广泛，十分适合大规模应用。
科学性、先进性及独特之处
- 一，采用先进设备，对不同条件下制得的产品进行分析，以探究制备CMC-Li的最佳条件。同时了解不同条件下的CMC-Li的稳态流动曲线。为开发性能优良的高能锂电池电液体提供了依据；二，国内外的很多研究通过用固体聚合物电解质取代现在电池的电解液以减少污染，但是这类电解质制备的电池仍然存在废弃后降解困难等问题。CMC-Li是一种离子型纤维素衍生物，它具有能天然降解的优点，并且来源广泛
应用价值和现实意义
- 该项目合成羧甲基纤维素锂，并研究其的流变性能，对纤维素衍生物在锂电池中的应用提供一些理论参考价值，同时对纤维素产业高值化利用具有一定的技术指导和应用前景。 该研究属基础研究，为培养本科生的科研能力及创新能力提供根本的平台，且该项目具有很强的应用背景。
学术论文摘要
- 本文以羧甲基纤维素钠（CMC-Na）为原料，羧甲基纤维素钠经过酸化反应和中和反应后制备出羧甲基纤维素锂（CMC-Li），根据锂离子原子吸收研究了影响制备羧甲基纤维素锂的因素，研究结果表明：最佳的反应温度为35℃；最佳的酸化时间为10min；加入3mL12﹪氢氧化锂时，CMC-Li中Li离子的含量为0.7215mg/L，相对于-COOLi的取代度为0.23。通过FT-IR表征样品的结构，表明本文所制备出的样品为羧甲基纤维素锂。 本文研究了羧甲基纤维素锂的流变性质，并且考察了不同制备条件对羧甲基纤维素锂流变性质的影响。结果表明CMC-Li保持了与CMC-Na水溶液一致的流变特性，且CMC-Li比CMC-Na具有更强的非牛顿型流体特性，在剪切力的作用下比CMC-Na分子链更容易定向、伸展和解缠绕；酸化时间为7min时制备的羧甲基纤维素锂的零剪切粘度最大；不同的反应温度下制备的CMC-Li水溶液的粘度变化趋势相同，温度对样品的降解很小，反应温度为23℃时溶液的零剪切粘度最大。
获奖情况
- 本作品的成果已书写为科研论文，并将于《造纸科学与技术》2011，（2）和2011，（3）上发表
鉴定结果
- 基于该团队成员的研究成果撰写而成的《羧甲基纤维素钠制备羧甲基纤维素锂的工艺研究》、《羧甲基纤维素锂溶液的流变性质》已被中文核心期刊《造纸科学与技术》录用，并将分别于2011年第二、第三期发表。
参考文献
- [1] 吴宇平，万春荣，姜长印等，《锂离子二次电池》北京化学工业出版社 北京 2002 [2] Ahmad S, Polymer Electrolytes: Characteristics and Peculiarities, Ionics, 2009, 15:309–321 [3] Murata K, Izuchi S,Yoshibisa Y. An Overview of the Research and Development of Solid Polymer Electrolyte batteries. Electrochimica Acta, 1999, 45(3): 489-501 [4] Scrosati B. New Approaches to Develop Lithium Polymer Batteries. the Chemical Record,2001,1:173-181. [5] Dias F B, Plomp L, Veldhuis J B J. Trends in polymer electrolytes for secondary lithium batteries. Journal of Power Sources _2000, 88:.169–191 [6] Max,J.-J.; Chapados,C. Infrared Spectroscopy of Aqueous Carboxylic Acids: Comparison between Different Acids and Their Salts. J.Phys. Chem. A., 2004, 108: 3324-3337. [7]赵扬. 锂电池电解质溶液中离子溶剂相互作用的热力学和谱学研究.2003 [8]史鹏飞[M].化学电源工艺学.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006:212 [9]R.Herr. Organic electrolytes for lithium ion cells [J] .Electrochim.Acta, 1990,（35），1257 [10] 蔡振和，熊犍，周帅等. 羧甲基纤维素钠制备羧甲基纤维素锂的工艺研究.造纸科学与技术[J].2011,已录用
同类课题研究水平概述
- 研究锂离子电池的关键技术是采用能在冲放电过程中嵌入和脱出锂离子的正负极材料以及选用合适的电解质材料。目前，在锂离子电池的研究和开发过程中，研究者多把精力集中在正、负极材料上，对有机电解质没有引起足够的重视。实际上有机电解质是在电池的内部正、负极之间担负传递电荷的作用，是锂离子电池的重要组成部分，对电池的性能有很大的影响。电解液的开发对锂离子电池的性能和发展非常重要。 电解质在锂电池的正、负极之间起着输送Li+的作用，导电锂盐的研究主要围绕着寻找大的有机阴离子，因为阴离子越大，溶剂化越强，更有利于屏蔽Li+，那么Li+更易于迁移。羧甲基纤维素锂（CMC-Li）是一种离子型纤维素衍生物，具有较大体积的阴离子，若将其应用到锂离子电池的电解质中，与阴离子体积较小的锂盐相比，CMC-Li可以减少正负离子的缔结，更为重要的是，Li+在溶液中强烈溶剂化，形成半径较大的溶剂化离子，从而使阴阳离子的半径大致相当。若选用阴离子体积小的锂盐，则会由于阴阳离子迁移能力的不同，在充放电过程中造成浓度梯度，产生过电位，形成不安全因素。 粘度是影响电解液电导率高低的重要因素之一，溶液的粘度直接影响了离子的移动速度，溶液的密度与其粘度有关，同时也能提供与溶液细微结构有关的参数。目前，对于锂离子电池电解液的粘度的研究中，研究者大多考察的是电解液的静态条件下的粘度，对电解液粘度的动态变化没有引起足够的重视。 本研究所制备的羧甲基纤维素锂（CMC-Li）是一种离子型纤维素衍生物，相比其他电解质，它的最大的特点是可生物降解，是一种“绿色”的、环境友好的化学品。
