碳纳米管锂离子蓄电池

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高比能量高安全性碳纳米管锂离子蓄电池

技术路线规划书

一、项目介绍

本项目技术路线规划书规划开发一种新型锂离子蓄电池，这种新型的锂离子蓄电池使用碳纳米管替代部分传统锂离子蓄电池所使用的关键材料，并对现有锂离子蓄电池的制造技术加以改进，以实现大幅度提高锂离子蓄电池的比能量和安全性，并实现该技术的产业化和市场化的应用。

由于现有的材料体系和锂离子蓄电池的制造技术的限制，现阶段能够兼顾锂离子蓄电池比能量和安全性两个方面，使其同步获得提升的空间已经十分有限。将碳纳米管应用于锂离子蓄电池，改进现有的锂离子蓄电池是突破现有体系制约的一个很好并且可行的突破口，可以使锂离子蓄电池在比能量和安全性两方面都获得较大幅度的提高。

从技术开发的角度考虑，本项目可以分为两个阶段进行。

第一阶段的目标可以设定为使用碳纳米管做为电池的导电剂和集流体，以取代传统的乙炔黑、铜箔、铝箔以及粘结剂，开发出高比能量和高安全性的锂离子蓄电池，并实现产业化和商业化应用。

用碳纳米管取代锂离子蓄电池的导电剂和集流体，能够通过降低电池内部不产生能量的部分所占的重量比例来实现电池比能量的提高。在锂离子蓄电池中，导电剂、粘结剂和集流体大约占了电池总重量的12%左右，这些物质在锂电池运行过程中不参与电化学反映也不产生能量，使用碳纳米管可以完全替代这些材料，并且可以使碳纳米管在电池中所占重量的比例降低到1%左右，这意味着使用碳纳米管的电池的质量比能量将比传统的锂离子蓄电池提高大约10%左右。在现有的技术条件下，10%的质量比能量的提高堪称一次不小的技术突破。碳纳米管的应用还将改善电池内部的极化条件，进一步的提高电池的性能。

应用碳纳米管，将在两个方面大幅度提高电池的安全性：即降低电池发生内短路的概率和减少电池在高温下的产热。使用碳纳米管做为电池的集流体可以减少以致杜绝毛刺的产生，从而降低电池发生内短路的概率。现有的锂离子蓄电池制造技术必需使用PVDF做为粘结剂，PVDF在高温下会发生猛烈的链式反应，释放大量的热量，引发电池的热失控，使用碳纳米管取代导电剂和集流体后，将不再需要粘结剂。

其次阶段的目标为将碳纳米管进行进一步的改性，使其能够做为电池的负极活性物质并替代现有的石墨负极，这样可以将负极活性物质的比能量比目前阶段提高3倍左右，这将给电池的比能量带来突破性的提高。

依据高比能量和高安全性的优势，碳纳米管锂离子蓄电池在诸如手机电池、动力电池等应用的高端领域必将大有可为。碳纳米管锂离子蓄电池的大规模产业化应用还将为碳纳米管开拓一个全新的市场，在本项目的开发过程中还将产生好多新的技术，这些新技术又会带来新的应用。

碳纳米管锂离子蓄电池的技术在目前阶段还处于试验室阶段，把这种还在襁褓之中的技术实现大规模产业化应用，需要战胜一系列的技术难关。这需要在高强度的资金和人员的投入之外，还要有一个懂技术、懂管理并且有顽强的执行力的项目负责人，该负责人能够建立精干的核心团队，团结团队成员使项目能够按节点高效、有序地向前推进。

二、技术路线

在项目开发的第一阶段，要实现用碳纳米管完全取代导电剂、粘结剂和集流体，并完成从试验室小试到中试放大，并开发专用生产设备再到产业化规模生产，需要攻克以下技术难点：

1、碳纳米管的分散技术，组建超级碳纳米管阵列；图1、碳纳米管超级阵列

2、活性物质在碳纳米管超级阵列中的分散技术；图2、活性物质均匀分散在碳纳米管阵列中：

3、碳纳米管电极压片成型技术；图3、压片成型的碳纳米管电极：

4、适合连续大规模工业生产的碳纳米管电极制造技术；5、大规模生产碳纳米管电极的生产设备的开发。

在项目开发的其次阶段，开发出新型的碳纳米管负极材料，以进一步提高电池的能量密度。

三、时间节点

本项目计划总共用时3年时间，在完成试验室小试阶段的工作，生产工艺基本固定下来以后，就可以进入生产准备阶段，在这个阶段科研开发和生产准备工作同步进行。第一阶断的研发工作到第一年终止时可以收获阶段性的成果，其次阶段的研发工作在第三年终止时收获阶段性的成果。具体安排如下：

第一年：试验室小试阶段，制造出成品电池并优化生产工艺，降低生产成本；其次年：开始中试，进行中试生产设备的调试，委托设计、加工专用的设备并完成调试，在其次年终止时完成全部的中试工作并开始向产业化生产过渡；

第三年：大规模生产线的组装、调试，终究三年终止时具备大规模生产的能力。

四、组织结构

为了项目能够高效、有序地向前推进，必需要建立精干的核心团队和完善的组织管理

机构，规划中的组织结构图如下：

项目经理

研发部前瞻事业部工程部

品质管理部

信息资源

及知识产权管理部

财务部

研发部：研发具有自主知识产权的高比能量、高安全性碳纳米管锂离子蓄电池以及相关产品的技术开发工作；

前瞻事业部：跟踪行业发展，规划企业的长远发展；

工程部：帮助研发部实现产业化，规划中试线和后续大规模生产的生产线和厂房等的建设工作，协助生产设备的开发和改进工作；

品质管理部：负责研发部、前瞻事业部、工程部等部门所开发出的新技术、产品、服务的质量控制，确保投入工业化生产产品质量。根据国际标准，严格执行产品工艺标准，对产品进行全过程控制，对每道工序、每个生产环节都严格把关，确保产品质量，确保合格率为100％。

信息资源及知识产权管理部：负责有关技术资料的整理归档、网络检索维护、科技项目申报及知识产权管理等工作；财务部：负责项目的财务运作。

在项目的初期阶段，团队的成员可以暂定为30人左右，随着项目的进展，到中试阶段后开始逐步扩展团队成员，培养干部，进入生产准备阶段后，开始大规模招募生产相关人员。

五、合作单位

在产品的开发和中试阶段，可以依托清华大学核研院锂