碳納米管鋰離子蓄電池

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高比能量高安全性碳納米管鋰離子蓄電池

技術(shù)路線規(guī)劃書

一、項(xiàng)目介紹

本項(xiàng)目技術(shù)路線規(guī)劃書規(guī)劃開發(fā)一種新型鋰離子蓄電池，這種新型的鋰離子蓄電池使用碳納米管替代部分傳統(tǒng)鋰離子蓄電池所使用的關(guān)鍵材料，并對(duì)現(xiàn)有鋰離子蓄電池的制造技術(shù)加以改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)大幅度提高鋰離子蓄電池的比能量和安全性，并實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)化的應(yīng)用。

由于現(xiàn)有的材料體系和鋰離子蓄電池的制造技術(shù)的限制，現(xiàn)階段能夠兼顧鋰離子蓄電池比能量和安全性兩個(gè)方面，使其同步獲得提升的空間已經(jīng)十分有限。將碳納米管應(yīng)用于鋰離子蓄電池，改進(jìn)現(xiàn)有的鋰離子蓄電池是突破現(xiàn)有體系制約的一個(gè)很好并且可行的突破口，可以使鋰離子蓄電池在比能量和安全性兩方面都獲得較大幅度的提高。

從技術(shù)開發(fā)的角度考慮，本項(xiàng)目可以分為兩個(gè)階段進(jìn)行。

第一階段的目標(biāo)可以設(shè)定為使用碳納米管做為電池的導(dǎo)電劑和集流體，以取代傳統(tǒng)的乙炔黑、銅箔、鋁箔以及粘結(jié)劑，開發(fā)出高比能量和高安全性的鋰離子蓄電池，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化應(yīng)用。

用碳納米管取代鋰離子蓄電池的導(dǎo)電劑和集流體，能夠通過降低電池內(nèi)部不產(chǎn)生能量的部分所占的重量比例來實(shí)現(xiàn)電池比能量的提高。在鋰離子蓄電池中，導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑和集流體大約占了電池總重量的12%左右，這些物質(zhì)在鋰電池運(yùn)行過程中不參與電化學(xué)反映也不產(chǎn)生能量，使用碳納米管可以完全替代這些材料，并且可以使碳納米管在電池中所占重量的比例降低到1%左右，這意味著使用碳納米管的電池的質(zhì)量比能量將比傳統(tǒng)的鋰離子蓄電池提高大約10%左右。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，10%的質(zhì)量比能量的提高堪稱一次不小的技術(shù)突破。碳納米管的應(yīng)用還將改善電池內(nèi)部的極化條件，進(jìn)一步的提高電池的性能。

應(yīng)用碳納米管，將在兩個(gè)方面大幅度提高電池的安全性：即降低電池發(fā)生內(nèi)短路的概率和減少電池在高溫下的產(chǎn)熱。使用碳納米管做為電池的集流體可以減少以致杜絕毛刺的產(chǎn)生，從而降低電池發(fā)生內(nèi)短路的概率?，F(xiàn)有的鋰離子蓄電池制造技術(shù)必需使用PVDF做為粘結(jié)劑，PVDF在高溫下會(huì)發(fā)生猛烈的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，釋放大量的熱量，引發(fā)電池的熱失控，使用碳納米管取代導(dǎo)電劑和集流體后，將不再需要粘結(jié)劑。

其次階段的目標(biāo)為將碳納米管進(jìn)行進(jìn)一步的改性，使其能夠做為電池的負(fù)極活性物質(zhì)并替代現(xiàn)有的石墨負(fù)極，這樣可以將負(fù)極活性物質(zhì)的比能量比目前階段提高3倍左右，這將給電池的比能量帶來突破性的提高。

依據(jù)高比能量和高安全性的優(yōu)勢(shì)，碳納米管鋰離子蓄電池在諸如手機(jī)電池、動(dòng)力電池等應(yīng)用的高端領(lǐng)域必將大有可為。碳納米管鋰離子蓄電池的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還將為碳納米管開拓一個(gè)全新的市場(chǎng)，在本項(xiàng)目的開發(fā)過程中還將產(chǎn)生好多新的技術(shù)，這些新技術(shù)又會(huì)帶來新的應(yīng)用。

碳納米管鋰離子蓄電池的技術(shù)在目前階段還處于試驗(yàn)室階段，把這種還在襁褓之中的技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，需要戰(zhàn)勝一系列的技術(shù)難關(guān)。這需要在高強(qiáng)度的資金和人員的投入之外，還要有一個(gè)懂技術(shù)、懂管理并且有頑強(qiáng)的執(zhí)行力的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，該負(fù)責(zé)人能夠建立精干的核心團(tuán)隊(duì)，團(tuán)結(jié)團(tuán)隊(duì)成員使項(xiàng)目能夠按節(jié)點(diǎn)高效、有序地向前推進(jìn)。

二、技術(shù)路線

在項(xiàng)目開發(fā)的第一階段，要實(shí)現(xiàn)用碳納米管完全取代導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑和集流體，并完成從試驗(yàn)室小試到中試放大，并開發(fā)專用生產(chǎn)設(shè)備再到產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，需要攻克以下技術(shù)難點(diǎn)：

1、碳納米管的分散技術(shù)，組建超級(jí)碳納米管陣列；圖1、碳納米管超級(jí)陣列

2、活性物質(zhì)在碳納米管超級(jí)陣列中的分散技術(shù)；圖2、活性物質(zhì)均勻分散在碳納米管陣列中：

3、碳納米管電極壓片成型技術(shù)；圖3、壓片成型的碳納米管電極：

4、適合連續(xù)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的碳納米管電極制造技術(shù)；5、大規(guī)模生產(chǎn)碳納米管電極的生產(chǎn)設(shè)備的開發(fā)。

在項(xiàng)目開發(fā)的其次階段，開發(fā)出新型的碳納米管負(fù)極材料，以進(jìn)一步提高電池的能量密度。

三、時(shí)間節(jié)點(diǎn)

本項(xiàng)目計(jì)劃總共用時(shí)3年時(shí)間，在完成試驗(yàn)室小試階段的工作，生產(chǎn)工藝基本固定下來以后，就可以進(jìn)入生產(chǎn)準(zhǔn)備階段，在這個(gè)階段科研開發(fā)和生產(chǎn)準(zhǔn)備工作同步進(jìn)行。第一階斷的研發(fā)工作到第一年終止時(shí)可以收獲階段性的成果，其次階段的研發(fā)工作在第三年終止時(shí)收獲階段性的成果。具體安排如下：

第一年：試驗(yàn)室小試階段，制造出成品電池并優(yōu)化生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)成本；其次年：開始中試，進(jìn)行中試生產(chǎn)設(shè)備的調(diào)試，委托設(shè)計(jì)、加工專用的設(shè)備并完成調(diào)試，在其次年終止時(shí)完成全部的中試工作并開始向產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)過渡；

第三年：大規(guī)模生產(chǎn)線的組裝、調(diào)試，終究三年終止時(shí)具備大規(guī)模生產(chǎn)的能力。

四、組織結(jié)構(gòu)

為了項(xiàng)目能夠高效、有序地向前推進(jìn)，必需要建立精干的核心團(tuán)隊(duì)和完善的組織管理

機(jī)構(gòu)，規(guī)劃中的組織結(jié)構(gòu)圖如下：

項(xiàng)目經(jīng)理

研發(fā)部前瞻事業(yè)部工程部

品質(zhì)管理部

信息資源

及知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理部

財(cái)務(wù)部

研發(fā)部：研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高比能量、高安全性碳納米管鋰離子蓄電池以及相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)開發(fā)工作；

前瞻事業(yè)部：跟蹤行業(yè)發(fā)展，規(guī)劃企業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展；

工程部：幫助研發(fā)部實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，規(guī)劃中試線和后續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)的生產(chǎn)線和廠房等的建設(shè)工作，協(xié)助生產(chǎn)設(shè)備的開發(fā)和改進(jìn)工作；

品質(zhì)管理部：負(fù)責(zé)研發(fā)部、前瞻事業(yè)部、工程部等部門所開發(fā)出的新技術(shù)、產(chǎn)品、服務(wù)的質(zhì)量控制，確保投入工業(yè)化生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格執(zhí)行產(chǎn)品工藝標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全過程控制，對(duì)每道工序、每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都嚴(yán)格把關(guān)，確保產(chǎn)品質(zhì)量，確保合格率為100％。

信息資源及知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理部：負(fù)責(zé)有關(guān)技術(shù)資料的整理歸檔、網(wǎng)絡(luò)檢索維護(hù)、科技項(xiàng)目申報(bào)及知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理等工作；財(cái)務(wù)部：負(fù)責(zé)項(xiàng)目的財(cái)務(wù)運(yùn)作。

在項(xiàng)目的初期階段，團(tuán)隊(duì)的成員可以暫定為30人左右，隨著項(xiàng)目的進(jìn)展，到中試階段后開始逐步擴(kuò)展團(tuán)隊(duì)成員，培養(yǎng)干部，進(jìn)入生產(chǎn)準(zhǔn)備階段后，開始大規(guī)模招募生產(chǎn)相關(guān)人員。

五、合作單位

在產(chǎn)品的開發(fā)和中試階段，可以依托清華大學(xué)核研院鋰