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本征可弹性拉伸锂离子全电池制备及其结构与性能实时分析
结题报告
批准号:
21875213
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
高翔
依托单位:
学科分类:
B0506.智能与仿生材料化学
结题年份:
2022
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
肖友华、魏迪锋、方进伟、夏瑶琪、黄昌伟、杨状
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中文摘要
可穿戴、可植入设备中,一些贴合于关节、整合到衣物内等器件对锂电池提出了可弹性拉伸新需求。然而,拉伸大形变会显著改变电池微观结构,相比柔性电池提出了更高挑战。目前已有可拉伸电池报道,但多侧重于可拉伸性的实现方法,提高各部件本征弹性研究较少,缺失各部位弹性材料一体化研究。所得电池仍存在容量衰减明显、负载低等问题。特别是相关基础研究欠缺,缺少电池发生拉伸大形变时对结构与性能关系的认知,离子、电子传导速率如何在拉伸时维持稳定的研究等。因此,申请者希望通过聚合物链序列结构调控、统一设计导电聚合物弹性体、电极粘结剂、聚合物电解质等弹性材料,在实现电池各部件本征弹性的同时得到一体化全电池;首次建立拉伸过程中结构与性能实时、原位分析方法,实现上述基础问题的研究,获取本征可弹性拉伸、性能稳定全电池。对可拉伸电池、充放电时体积变化显著的高比能电池发展有积极促进作用,对认知锂电池结构与性能关系有重要科学意义。
英文摘要
Some of the wearable and implantable devices put forward a new demand of elastic stretchability on the lithium batteries, e.g. some devices which are attached to the joints or integrated into the clothing. However, the large deformation during the stretch will significantly change the microstructure of the batteries, proposing much higher challenges compared with flexible batteries. At present, there have been some reports on stretchable batteries, but most of them focused on the methods to achieve stretchability. Only a small amount of them tried to improve the intrinsic elasticity of each component. No studies have been carried out to integrate these elastic materials in all parts. The stretchable batteries obtained are still facing problems inducing fast capacity fading, low active materials loading etc. In particular, the related fundamental research is missing. The knowledge on the relationship between its structure and performance of the battery during the stretch is absent. The method to maintain the same ion and electron transfer rate during the stretch is absent. Therefore, the applicant plans to design and prepare the conductive polymer elastomer, electrode binder, polymer electrolyte and other elastic materials through controlling the polymer chain sequence. Stretchable battery will be achieved with all of its compounds having intrinsic elasticity. The real-time, in-situ analysis methods on the battery structure and performance during the stretch will be established for the first time to carry out the fundamental research as mentioned above. Intrinsically elastic stretchable battery will be achieved with stable performance. This work will promote the development of stretchable batteries and high-capacity batteries which are suffering from the large electrode volume change during the charge and discharge process. It also has scientific significance in understanding the relationship between lithium battery structure and performance.
可穿戴、可植入设备中,一些贴合于关节、整合到衣物内等器件对锂电池提出了可拉伸新需求,现代单兵作战由于电子化装备的增多需随身佩戴高能量储能电源,对其实现可穿戴化、舒适化也提出了新的需求。目前已有可拉伸电池报道,但多通过宏观结构设计实现宏观拉伸形变,提高各部件本征弹性研究较少,缺失各部位弹性材料一体化研究。电池外部形变会显著改变电池微观结构,进而导致导电、导离子网络失去完整性,电极与集流体之间也易发生剥离,均会导致电池在拉伸过程中性能显著下降。因此,本项目研究了通过聚合物链序列结构调控、统一设计本征可弹性聚合物材料,获得可拉伸导电聚合物集流体、电极粘结剂、聚合物电解质等,在实现电池各部件本征弹性的同时得到一体化可拉伸全电池。采用了可逆加成断裂链转移自由基乳液聚合法,制备了苯乙烯与丙烯酸丁酯的三嵌段聚合物弹性体,与纳米碳管共混制备得到了可实现100%拉伸形变,电导率为10mS/cm的弹性导电集流体,解决金属集流体不可拉伸的问题;制备了苯乙烯与聚丙烯酸甲酯嵌段聚合物弹性粘结剂,与弹性集流体相结合实现了可拉伸电极,可完成100%形变,在1C倍率以下电池性能与采用金属集流体电池性能一致,100次100%形变后电极性能无变化。制备了苯乙烯与丙烯酸甲酯双向梯度共聚物,实现可90%拉伸形变的聚合物电解质, 室温离子电导率达0.288mS/cm。集流体、弹性电极粘结剂、聚合物电解质采用多嵌段链序列结构,均通过聚苯乙烯相形成物理交联点,通过后处理物理交联,实现全电池各部件的一体化,在电池拉伸过程中有助于界面的稳定性,最终获得了柔性及可拉伸锂离子全电池,研究了拉伸过程中各材料结构与性能关系。并且,为解决可穿戴锂离子电池的安全性,还制备了可拉伸全固态聚合物电解质,可实现50%弹性形变,室温电导率达0.465mS/cm,实现了可室温工作的柔性全固态电池制备。为提高可穿戴储能设备的能量密度,首次将硅基材料用于柔性及可拉伸电极制备,获得了硅基可拉伸电极。本项目研究对可拉伸电池、充放电时体积变化显著的高比能电池发展有积极促进作用,对认知锂电池结构与性能关系有重要科学意义。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:10.11949/0438-1157.20211460
发表时间:2022
期刊:化工学报
影响因子:--
作者:郑哲楠;高翔;罗英武;黄杰
通讯作者:黄杰
A stretchable all-solid-state polymer electrolyte with decoupled ion transport and mechanical supporting networks to achieve high and stable ion-conductivity
具有解耦离子传输和机械支撑网络的可拉伸全固态聚合物电解质,可实现高且稳定的离子电导率
DOI:10.1016/j.ssi.2021.115733
发表时间:2021-11
期刊:Solid State Ionics
影响因子:3.2
作者:Xie Ruohan;Yu Xuexian;Li Zhoupeng;Zhang Qinghua;Chen Jian;Lu Jianguo;Hou Yang;He Qinggang;Luo Yingwu;Gao Xiang
通讯作者:Gao Xiang
DOI:10.1021/acssuschemeng.0c03425
发表时间:2020-07
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering
影响因子:8.4
作者:Zhang Fan;Luo Yingwu;Gao Xiang;Wang Rui
通讯作者:Wang Rui
DOI:10.11949/j.issn.0438-1157.20180699
发表时间:2018
期刊:化工学报
影响因子:--
作者:高翔;国媛;魏迪锋;罗英武;苏荣欣
通讯作者:苏荣欣
Achieving a high loading Si anode via employing a triblock copolymer elastomer binder, metal nanowires and a laminated conductive structure
通过采用三嵌段共聚物弹性体粘合剂、金属纳米线和层压导电结构实现高负载硅阳极
DOI:10.1039/c8ta07956k
发表时间:2018
期刊:Journal of Materials Chemistry A
影响因子:11.9
作者:Wei Difeng;Mao Jie;Zheng Zhenan;Fang Junjie;Luo Yingwu;Gao Xiang
通讯作者:Gao Xiang
以煤电转型为主的中国能源结构变化建模及预测研究(子课题1)
  • 批准号:
    42341208
  • 项目类别:
    专项基金项目
  • 资助金额:
    400万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    高翔
  • 依托单位:
二氧化碳吸收-解吸的影响规律及强化机制研究
  • 批准号:
    LDT23E06011E06
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    高翔
  • 依托单位:
二氧化碳低能耗高效捕集与资源化利用研究
  • 批准号:
    LDT23E0601
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    高翔
  • 依托单位:
金属基复合材料网状构型设计与优化
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    30万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    高翔
  • 依托单位:
HMGB2通过SIRT7/β-catenin信号通路对衰老骨髓间充质干细胞成脂-成骨分化的调控作用及机制研究
  • 批准号:
    LY21H070001
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    高翔
  • 依托单位:
燃烧烟气多污染物高效协同催化脱除的关键基础问题
  • 批准号:
    51836006
  • 项目类别:
    重点项目
  • 资助金额:
    300.0万元
  • 批准年份:
    2018
  • 负责人:
    高翔
  • 依托单位:
燃煤烟气污染物超低排放的智慧优化控制方法与关键技术
  • 批准号:
    U1609212
  • 项目类别:
    联合基金项目
  • 资助金额:
    211.0万元
  • 批准年份:
    2016
  • 负责人:
    高翔
  • 依托单位:
导电、导离子、高粘弹性理想电极粘结剂的制备与性能研究
  • 批准号:
    21574115
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    68.0万元
  • 批准年份:
    2015
  • 负责人:
    高翔
  • 依托单位:
聚合物分子链梯度结构设计实现多形状记忆功能的研究
  • 批准号:
    21374096
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    82.0万元
  • 批准年份:
    2013
  • 负责人:
    高翔
  • 依托单位:
活性自由基高内相(细)乳液聚合过程研究
  • 批准号:
    21106128
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万元
  • 批准年份:
    2011
  • 负责人:
    高翔
  • 依托单位:
国内基金
海外基金