生物質(zhì)材料具有來源豐富、可再生等優(yōu)點(diǎn)，在可持續(xù)能源材料開發(fā)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。以海洋中豐富的海藻多糖、甲殼素等生物質(zhì)材料為基礎(chǔ)，研究開發(fā)高性能的能源材料具有重要的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

近日，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過程研究所仿生能源與儲(chǔ)能系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人崔光磊等在海洋生物質(zhì)能源材料研究領(lǐng)域取得一系列新進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表在ACSApplMaterInterfaces、J.Electrochem.Soc.、ElectrochimActa、JMaterChem等雜志，并有多項(xiàng)發(fā)明專利獲得授權(quán)。

通過低成本無紡布加工技術(shù)利用生物質(zhì)纖維素材料和耐溫聚合物材料制備復(fù)合動(dòng)力電池隔膜(ACSApplMaterInterfaces2013,5,128-134.)，與傳統(tǒng)聚烯烴隔膜相比，以生物質(zhì)纖維素為原料，成本低廉，綠色環(huán)保。同時(shí)，該隔膜由于獨(dú)特的極性和化學(xué)和物理結(jié)構(gòu)，具有很好的電解液浸潤(rùn)性、較高的孔隙率和離子電導(dǎo)率，具有適宜的機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)異的耐高溫性能。該團(tuán)隊(duì)通過隔膜材料設(shè)計(jì)與成型過程集成創(chuàng)新，解決了動(dòng)力電池隔膜關(guān)鍵技術(shù)問題，構(gòu)建了低成本高性能的動(dòng)力電池隔膜產(chǎn)業(yè)化技術(shù)體系，在材料制備和核心設(shè)備領(lǐng)域已獲授權(quán)發(fā)明專利3項(xiàng)(ZL201110147715.6，ZL201110147725.X，ZL201220602823.8)。

開發(fā)低成本的本征阻燃復(fù)合隔膜體系對(duì)提高動(dòng)力電池安全性能意義重大。該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的聚芳砜酰胺/海藻酸鈉/二氧化硅復(fù)合隔膜具有高孔隙率和電解液吸收率、優(yōu)異的阻燃性能和耐高溫性能(J.Electrochem.Soc.,2013,160(6),A769-A774)。以該聚芳砜酰胺基復(fù)合隔膜組裝的鋰離子電池即使在120oC溫度下使用也可以進(jìn)行快速充放電。該聚芳砜酰胺基復(fù)合隔膜特別適用于高安全性動(dòng)力鋰離子電池，此項(xiàng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的隔膜技術(shù)將會(huì)促進(jìn)我國(guó)高端電池隔膜產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

油系粘結(jié)劑(例如聚偏氟乙烯)在鋰離子電池極片生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，但在漿料制備過程中需要使用大量的二甲基吡咯烷酮作溶劑，生產(chǎn)成本高，還會(huì)污染環(huán)境，而且楊式模量低，脆性大，柔韌性不好，抗拉強(qiáng)度低，以此為粘結(jié)劑制備的電極片容易出現(xiàn)“掉料”現(xiàn)象，電極片在充放電過程中也容易出現(xiàn)由于極片內(nèi)應(yīng)力造成的斷面和裂紋。海洋生物質(zhì)材料海藻多糖、甲殼素等具有優(yōu)異的黏結(jié)性能，但成膜性不好。該團(tuán)隊(duì)通過對(duì)海洋生物質(zhì)材料進(jìn)行功能化修飾，提高成膜性和電化學(xué)的穩(wěn)定性，開發(fā)出新型高性能海洋生物質(zhì)水系粘結(jié)劑。該粘結(jié)劑彈性模量高，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，可承受電極循環(huán)過程中活性物質(zhì)顆粒在一定程度上的膨脹與收縮，特別適合硅系高能量密度的電極材料和高電位的正極材料。高穩(wěn)定性的水性粘合材料的研發(fā)為鋰動(dòng)力電池的綠色生產(chǎn)工藝提供了重要的原料與技術(shù)支撐，對(duì)推進(jìn)藍(lán)色產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展具有重要的支撐作用。目前，該研究已申請(qǐng)發(fā)明專利4項(xiàng)。

傳統(tǒng)電解質(zhì)中的六氟磷酸鋰鹽，制備條件苛刻,成本高，熱穩(wěn)定性差，對(duì)水也極其敏感。該團(tuán)隊(duì)利用生物質(zhì)原料設(shè)計(jì)與合成新型的生物基聚合型硼酸鋰鹽(ElectrochimActa2013,92,132-138.)，具有優(yōu)異的耐熱性、高的鋰離子遷移數(shù)和離子導(dǎo)電率，為動(dòng)力電池的開發(fā)提供了耐高溫，安全的電解質(zhì)體系，該聚合物電解質(zhì)可大大提升電池的安全性能。該研究已申請(qǐng)發(fā)明專利2項(xiàng)。

基于高性能隔膜、粘結(jié)劑和電解質(zhì)鹽技術(shù)進(jìn)展，以具有良好的嵌鋰性能的高比容量金屬氮化物復(fù)合材料為電極材料，采用先進(jìn)的預(yù)嵌鋰技術(shù)，優(yōu)化電解液中的微量添加劑組成，輔以自主研發(fā)的隔膜，減小電容器內(nèi)阻，提高電解液/隔膜界面穩(wěn)定性，提高超級(jí)電容器的循環(huán)性能，構(gòu)建高能量密度的超級(jí)電容器，開發(fā)出能量密度與鉛酸電池相當(dāng)，性價(jià)比優(yōu)良的環(huán)保儲(chǔ)能電池(JMaterChem,2012,22,24918;J.MaterChemA,2013,1,5949;ACSNano,2013,DOI:10.1021/nn401402a)。目前，該團(tuán)隊(duì)正在優(yōu)化電容器器件結(jié)構(gòu)，希望開發(fā)性能更加優(yōu)越的鋰離子電容器儲(chǔ)能器件。