碳納米管鋰離子蓄電池

本文格式為Word版，下載可任意編輯——碳納米管鋰離子蓄電池

高比能量高安全性碳納米管鋰離子蓄電池

技術路線規(guī)劃書

一、項目介紹

本項目技術路線規(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鍵材料，并對現(xiàn)有鋰離子蓄電池的制造技術加以改進，以實現(xiàn)大幅度提高鋰離子蓄電池的比能量和安全性，并實現(xiàn)該技術的產(chǎn)業(yè)化和市場化的應用。

由于現(xiàn)有的材料體系和鋰離子蓄電池的制造技術的限制，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。將碳納米管應用于鋰離子蓄電池，改進現(xiàn)有的鋰離子蓄電池是突破現(xiàn)有體系制約的一個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。

從技術開發(fā)的角度考慮，本項目可以分為兩個階段進行。

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

用碳納米管取代鋰離子蓄電池的導電劑和集流體，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現(xiàn)電池比能量的提高。在鋰離子蓄電池中，導電劑、粘結劑和集流體大約占了電池總重量的12%左右，這些物質在鋰電池運行過程中不參與電化學反映也不產(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)有的技術條件下，10%的質量比能量的提高堪稱一次不小的技術突破。碳納米管的應用還將改善電池內(nèi)部的極化條件，進一步的提高電池的性能。

應用碳納米管，將在兩個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必需使用PVDF做為粘結劑，PVDF在高溫下會發(fā)生猛烈的鏈式反應，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電劑和集流體后，將不再需要粘結劑。

其次階段的目標為將碳納米管進行進一步的改性，使其能夠做為電池的負極活性物質并替代現(xiàn)有的石墨負極，這樣可以將負極活性物質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，碳納米管鋰離子蓄電池在諸如手機電池、動力電池等應用的高端領域必將大有可為。碳納米管鋰離子蓄電池的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應用還將為碳納米管開拓一個全新的市場，在本項目的開發(fā)過程中還將產(chǎn)生好多新的技術，這些新技術又會帶來新的應用。

碳納米管鋰離子蓄電池的技術在目前階段還處于試驗室階段，把這種還在襁褓之中的技術實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應用，需要戰(zhàn)勝一系列的技術難關。這需要在高強度的資金和人員的投入之外，還要有一個懂技術、懂管理并且有頑強的執(zhí)行力的項目負責人，該負責人能夠建立精干的核心團隊，團結團隊成員使項目能夠按節(jié)點高效、有序地向前推進。

二、技術路線

在項目開發(fā)的第一階段，要實現(xiàn)用碳納米管完全取代導電劑、粘結劑和集流體，并完成從試驗室小試到中試放大，并開發(fā)專用生產(chǎn)設備再到產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，需要攻克以下技術難點：

1、碳納米管的分散技術，組建超級碳納米管陣列；圖1、碳納米管超級陣列

2、活性物質在碳納米管超級陣列中的分散技術；圖2、活性物質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；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；5、大規(guī)模生產(chǎn)碳納米管電極的生產(chǎn)設備的開發(fā)。

在項目開發(fā)的其次階段，開發(fā)出新型的碳納米管負極材料，以進一步提高電池的能量密度。

三、時間節(jié)點

本項目計劃總共用時3年時間，在完成試驗室小試階段的工作，生產(chǎn)工藝基本固定下來以后，就可以進入生產(chǎn)準備階段，在這個階段科研開發(fā)和生產(chǎn)準備工作同步進行。第一階斷的研發(fā)工作到第一年終止時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收獲階段性的成果。具體安排如下：

第一年：試驗室小試階段，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，進行中試生產(chǎn)設備的調(diào)試，委托設計、加工專用的設備并完成調(diào)試，在其次年終止時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，終究三年終止時具備大規(guī)模生產(chǎn)的能力。

四、組織結構

為了項目能夠高效、有序地向前推進，必需要建立精干的核心團隊和完善的組織管理

機構，規(guī)劃中的組織結構圖如下：

項目經(jīng)理

研發(fā)部前瞻事業(yè)部工程部

品質管理部

信息資源

及知識產(chǎn)權管理部

財務部

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

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

工程部：幫助研發(fā)部實現(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)線和廠房等的建設工作，協(xié)助生產(chǎn)設備的開發(fā)和改進工作；

品質管理部：負責研發(fā)部、前瞻事業(yè)部、工程部等部門所開發(fā)出的新技術、產(chǎn)品、服務的質量控制，確保投入工業(yè)化生產(chǎn)產(chǎn)品質量。根據(jù)國際標準，嚴格執(zhí)行產(chǎn)品工藝標準，對產(chǎn)品進行全過程控制，對每道工序、每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都嚴格把關，確保產(chǎn)品質量，確保合格率為100％。

信息資源及知識產(chǎn)權管理部：負責有關技術資料的整理歸檔、網(wǎng)絡檢索維護、科技項目申報及知識產(chǎn)權管理等工作；財務部：負責項目的財務運作。

在項目的初期階段，團隊的成員可以暫定為30人左右，隨著項目的進展，到中試階段后開始逐步擴展團隊成員，培養(yǎng)干部，進入生產(chǎn)準備階段后，開始大規(guī)模招募生產(chǎn)相關人員。

五、合作單位

在產(chǎn)品的開發(fā)和中試階段，可以依托清華大學核研院鋰