基本信息
- 项目名称：
- 一种新型清洁能源电池
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 近年来，全球手机、笔记本电脑爆炸事故频繁发生，严重危害了使用者的安全，这些事故发生归根究底是锂离子电池导致的。本作品系一种新型锂离子电池，创新性的采用细菌纤维素作为电解质材料，可以有效地避免传统电池因为漏液造成的不安全性，并且兼具高电导率和优越的机械性能。
- 详细介绍：
- 锂离子电池凝胶电解质为了提高电导率加入了较多增塑剂，导致锂离子电池机械性能大大的降低，使得锂离子电池在使用过程中存在着安全隐患，针对现有锂离子电池中的这一问题，本作品设计了三维立体网状结构的新型凝胶电解质材料。本作品的基本思想是利用细菌纤维素特殊的三维立体网状水凝胶结构，将其转化为有机凝胶，进而制备得到具有较高离子电导率和机械性能的新型凝胶电解质，并组装成锂离子电池。为了实现这一构想，首创性地采用了溶剂转换的方法制备凝胶电解质，并通过静态拉伸试验和交流阻抗法评定此种凝胶电解质材料的机械性能和电化学性能。 通过实验测得本作品中细菌纤维素凝胶电解质膜断裂强度为32MPa，提高了200%，断裂伸长率达到73%，提高了高达500%。细菌纤维素中含有大量的微孔用于储藏可导电的电解液，因此电学性能优异，离子电导率达到1.0×10－2S/cm，由此可见本作品中凝胶电解质材料兼具高电导率和优异的机械强度。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本作品的基本思想是利用细菌纤维素特殊的三维立体网状水凝胶结构，通过溶剂转换法将其转化为有机凝胶，进而制备得到兼具高离子电导率和优越机械性能的新型凝胶电解质膜。通过对凝胶电解质膜离子电导率的研究，分析凝胶态结构、锂化合物种类、添加量对电导率的影响，为该种新型凝胶电解质的应用提供理论指导。 本作品首次提出利用细菌纤维素的特殊三维立体网状结构制备凝胶电解质膜以及创新性地提出了通过溶剂转换的方法将水凝胶转变为有机凝胶，从而实现锂化合物的添加以及导电膜的制备，具有较强的创新性（查新报告结论显示上述内容未见有文献报道）。制备有机凝胶过程中如何将纤维素中的水彻底去除，如何提高凝胶电解质膜的电导率以及细菌纤维素在电化学环境下的化学稳定性是本研究的关键。而本作品所要达到的主要指标有： ①离子电导率达到10-3S/cm； ②保液性能保持在95%以上； ③与电极有良好的接触； ④电解质机械性能良好，达到加工要求，断裂伸长率达到50%以上； ⑤电池最小容量150mAh，内阻小于10mΩ。
科学性、先进性
- 本作品大大改善了现有凝胶电解质材料的缺点，选用细菌纤维素作为凝胶电解质基体材料，细菌纤维素是由高密度纳米纤维交织成的，具有三维立体网状结构的材料，通过实验测得本作品中细菌纤维素凝胶电解质膜断裂强度为32MPa，提高了200%，断裂伸长率达到73%，提高了高达500%。细菌纤维素中含有大量的微孔用于储藏可导电的电解液，因此电学性能优异，离子电导率达到1.0×10－2S/cm，由此可见本作品中凝胶电解质材料兼具高电导率和优异的机械强度。 本作品发明了溶剂转换的方法，解决了传统的凝胶电解质材料加入较多增塑剂导致机械性能降低这一问题，使得凝胶电解质材料保持较高电导率的情况下提高了机械强度，可加工性能进一步提高。传统的凝胶电解质材料加入较多的增塑剂，污染环境，回收成本高，本作品选用的发明绿色环保，顺应了国家对电池绿色制造的理念。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品，现场演示，图片，录像，样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品的技术特点如下： ①本作品选用超细三维立体网状结构材料细菌纤维素作为凝胶电解质基体材料，可以有效地避免现有凝胶电解质材料加入大量增塑剂造成的机械性能大大降低的不足。 ②本作品所制的凝胶电解质膜电导率高，三维网状结构可以使电解液牢牢地固定在其中，储藏更多的电解液，实现了电化学性能优异与机械性能优越的统一。 随着移动通讯的普及，对小型充电电池的需求量和销售量迅速增大，众所周知电子产品正向小型化、薄型化方向发展，本作品中的锂离子电池厚度薄、柔韧性好，可以任意弯曲折叠，外形设计更加灵活多样。 我国“十二五”纲要中明确提出，新能源汽车被列为七大战略性新兴产业之一，随着新能源汽车的逐渐推广，锂电池在市场上的经济效益不言而喻。本作品所述的凝胶聚合物锂离子电池既可以达到较高的电导率与优越的机械性能，又由于其采用原料普遍易得，价格可接受，简化了目前繁琐的工艺过程，大大降低了产品成本和机会成本，它在未来的电池市场中更易被一般电子厂商接受。
同类课题研究水平概述
- 目前国内外锂离子电池大部分采用的是液态电解质，液态锂离子电池具有良好的高充放电速率和低温性能，但液体电解液有可能泄漏，而且因过放电，容易导致过剩的锂离子在负极形成枝晶，这些因素不但造成电池性能的衰减，而且危害电池的安全性。因此在液态锂离子电池的基础上，开发了新一代锂离子电池：聚合物锂离子电池。 聚合物电解质可分为两类：一类是固态聚合物电解质(SPE)，它的室温离子电导率较低(10-4~10-5S/cm)，目前仍难于在电池中使用；另一类就是凝胶聚合物电解质(GPE) ，它的室温离子电导率一般都在10-3S/cm数量级，是最有希望应用于锂离子电池中的聚合物电解质。 目前已经有多种凝胶聚合物体系得到了开发研究，其中研究最为详尽的是聚环氧乙烷(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）四种聚合物及其衍生物体系或者其它无机粒子等的复合体系，但是其性能仍有不足，存在下列问题：（1）在室温下的电导率偏低，不能满足实际需要；（2）体系与锂电极相容性较差；（3）由于聚合物在“凝胶状态”时的浓度不高，它的机械强度有待提高，因而目前聚合物锂离子电池在锂电池市场应用有限。传统的凝胶聚合物电解质的制备方法是通过浇铸的方法，将聚合物先溶解在溶剂中，然后加入含锂盐的液态电解质中，最后在室温下把溶剂挥发后就制备得到了凝胶聚合物电解质膜。由于采用这种工艺环境要求较高，制膜过程必须在封闭的手套箱中进行，电解质制备手段过于烦琐复杂，因此其设备费用投入较大，制备成本高，废弃溶剂处理困难。此外过多的液体电解质吸附会破坏体系的力学性能，且体系可能会发生漏液现象，易与锂电极发生反应而降低性能，甚至会产生安全性问题。 目前对于新型的凝胶电解质膜——细菌纤维素膜在锂离子电池方面的研究仍处于起步状态，而作为锂离子电池的核心部分电解质膜材料的制备和锂离子电池膜元件组装则是个系统的研究，因此本作品采用溶剂转换法，简化制备工艺，从细菌纤维素凝胶电解质膜的制备、各反应条件对凝胶电解质膜的影响及电性能测试来系统研究，以期获得既保持一定力学性能，又有较高电化学性能的凝胶聚合物电解质膜，并获得一套优化的锂离子电池系统。
