青島能源所生物質能源材料研究取得系列進展

2020-11-30 中國科學院

生物質材料具有來源豐富、可再生等優點，在可持續能源材料開發領域具有重要的應用前景。以海洋中豐富的海藻多糖、甲殼素等生物質材料為基礎，研究開發高性能的能源材料具有重要的生態、經濟和社會效益。

近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所仿生能源與儲能系統團隊負責人崔光磊等在海洋生物質能源材料研究領域取得一系列新進展，相關成果發表在ACS Appl Mater Interfaces、J. Electrochem. Soc.、Electrochim Acta、J Mater Chem等雜誌，並有多項發明專利獲得授權。

通過低成本無紡布加工技術利用生物質纖維素材料和耐溫聚合物材料製備複合動力電池隔膜（ACS Appl Mater Interfaces 2013, 5, 128-134.），與傳統聚烯烴隔膜相比，以生物質纖維素為原料，成本低廉，綠色環保。同時，該隔膜由於獨特的極性和化學、物理結構，具有很好的電解液浸潤性、較高的孔隙率和離子電導率，具有適宜的機械強度和優異的耐高溫性能。該團隊通過隔膜材料設計與成型過程集成創新，解決了動力電池隔膜關鍵技術問題，構建了低成本高性能的動力電池隔膜產業化技術體系，在材料製備和核心設備領域已獲授權發明專利3項（ZL201110147715.6，ZL201110147725.X，ZL201220602823.8）。

開發低成本的本徵阻燃複合隔膜體系對提高動力電池安全性能意義重大。該團隊研發的聚芳碸醯胺/海藻酸鈉/二氧化矽複合隔膜具有高孔隙率和電解液吸收率、優異的阻燃性能和耐高溫性能（J. Electrochem. Soc., 2013, 160 (6), A769-A774）。以該聚芳碸醯胺基複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行快速充放電。該聚芳碸醯胺基複合隔膜特別適用於高安全性動力鋰離子電池，此項具有自主智慧財產權的隔膜技術將會促進我國高端電池隔膜產業發展。

油系粘結劑(例如聚偏氟乙烯）在鋰離子電池極片生產中應用廣泛，但在漿料製備過程中需要使用大量的二甲基吡咯烷酮作溶劑，生產成本高，還會汙染環境，而且楊式模量低，脆性大，柔韌性不好，抗拉強度低，以此為粘結劑製備的電極片容易出現「掉料」現象，電極片在充放電過程中也容易出現由於極片內應力造成的斷面和裂紋。海洋生物質材料海藻多糖、甲殼素等具有優異的黏結性能，但成膜性不好。該團隊通過對海洋生物質材料進行功能化修飾，提高成膜性和電化學的穩定性，開發出新型高性能海洋生物質水系粘結劑。該粘結劑彈性模量高，經濟環保，可承受電極循環過程中活性物質顆粒在一定程度上的膨脹與收縮，特別適合矽系高能量密度的電極材料和高電位的正極材料。高穩定性的水性粘合材料的研發為鋰動力電池的綠色生產工藝提供了重要的原料與技術支撐，對推進藍色產業集群發展具有重要的支撐作用。目前，該研究已申請發明專利4項。

傳統電解質中的六氟磷酸鋰鹽，製備條件苛刻, 成本高，熱穩定性差，對水也極其敏感。該團隊利用生物質原料設計與合成新型的生物基聚合型硼酸鋰鹽（Electrochim Acta 2013, 92, 132-138.），具有優異的耐熱性、高的鋰離子遷移數和離子導電率，為動力電池的開發提供了耐高溫、安全的電解質體系，該聚合物電解質可大大提升電池的安全性能。該研究已申請發明專利2項。

該團隊基於高性能隔膜、粘結劑和電解質鹽技術進展，以具有良好的嵌鋰性能的高比容量金屬氮化物複合材料為電極材料，採用先進的預嵌鋰技術，優化電解液中的微量添加劑組成，輔以自主研發的隔膜，減小電容器內阻，提高電解液/隔膜界面穩定性，提高超級電容器的循環性能，構建高能量密度的超級電容器，開發出能量密度與鉛酸電池相當，性價比優良的環保儲能電池（J Mater Chem, 2012, 22, 24918；J. Mater Chem A, 2013, 1, 5949；ACS Nano, 2013, DOI: 10.1021/nn401402a）。目前，該團隊正在優化電容器器件結構，希望開發性能更加優越的鋰離子電容器儲能器件。該領域的研究已獲發明專利授權4項（ZL200910226430.4、ZL201010104001.2、ZL201010104003.1、ZL201010108048.6）。

上述研究獲得中科院納米先導專項，科技部「973」、「863」科技專項項目，國家自然科學基金以及企業對海洋生物質能源材料研究的支持。

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