【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 導(dǎo)熱特性，可有效提高鋰離子動(dòng)力電池的安全性及高功率特性。如碳納米管在電池材料中形成均勻分布的三維導(dǎo)電導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，可將電池高功率放電過程中產(chǎn)生的熱量及時(shí)傳導(dǎo)到周圍空間，有效降低電芯溫升，并改善動(dòng)力電池內(nèi)部的溫度場(chǎng)均勻性，最終提高電池的安全性及電池組放電過程的一致性。碳納米管的高導(dǎo)電性還 可 有效降低電極材料顆粒間的極化，提高動(dòng)力電池的高功率放電特性。同時(shí)由于碳納米管具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，在高容量負(fù)極材料中形成三維柔性網(wǎng)絡(luò)可 有效 抑制 其 體積效應(yīng)，從而能夠在保持高容量的同時(shí)改善其循環(huán)性能。 因此，碳納米管復(fù)合電極材料的設(shè)計(jì)思路可行。本項(xiàng)目提出采用機(jī)械融合方法制備碳納米管復(fù)合電極材料 ，該方法 是利用機(jī)械力將一種材料鑲嵌在另一種材料表面，特別適合于少量納米材料（如碳納米管）與微米級(jí)基體（如人造石墨或磷酸鐵鋰）的復(fù)合過程，且其界面結(jié)合好。 影響碳納米管薄膜透明導(dǎo)電性的關(guān)鍵因素包括碳納米管本身的光電特性、碳納米管間的接觸電阻及二維輸運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。本項(xiàng)目中碳納米管導(dǎo)電屬性可控制備及分離研究組可提供導(dǎo)電屬性單一的碳納米管，而碳納米管的單分散技術(shù)為充分發(fā)揮碳納米管優(yōu)異性能構(gòu)建有效網(wǎng)絡(luò)提供了重要保障。 本項(xiàng)目提出 的采用酸氧化和氫鹵酸還原的方法，可獲得高度分散的單壁碳納米管。即對(duì)碳納米管表面進(jìn)行官能化處理，使其表面帶上與分散介質(zhì)相容性好的官能團(tuán)，不僅可以提高其在介質(zhì)中的分散性，而且成型后經(jīng)還原處理去除官能團(tuán)可恢復(fù)碳納米管的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能。因此碳納米管的可逆表面官能化是實(shí)現(xiàn)碳納米管單分散并保持其優(yōu)異物性的有效方法。 在此基礎(chǔ)上優(yōu)選特定結(jié)構(gòu)和性能的碳納米管， 構(gòu)建具有優(yōu)化結(jié)構(gòu)的碳納米管薄膜， 再經(jīng)還原處理 提高其導(dǎo)電性，可望同時(shí)獲得高導(dǎo)電性和高透明性。柔韌性決定 了碳納米管 薄膜能否在柔性器件 中獲得 應(yīng)用 。 影響 碳納米管 薄膜柔韌性的關(guān)鍵 是 碳納米管 膜與柔性基體的粘附性 。擬 通過調(diào)整分散液和基材的表面張力， 在充分潤(rùn)濕的情況下使碳納米管 導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)充分鋪展 ，來(lái)提高碳納米管與基體的附著力；同時(shí)還可通過 熱壓、添加粘結(jié)劑 、微波加熱等方法 來(lái)改善粘附性。 本項(xiàng)目組 最近采用 熱壓方法 制備的 與 柔性基體 結(jié)合的 碳納米管 薄膜 ，經(jīng)過 10000次的 反復(fù) 彎折 實(shí)驗(yàn) 后，薄膜的 表面電阻幾乎 沒有 變化 。 因此通過改善 碳納米管 與基體的粘附力提高 薄膜 柔韌性 的路線 是可行的 。 （四） 課題設(shè)置 針對(duì)當(dāng)前碳納米管研究領(lǐng)域中的 關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù) 問題， 即碳納米管的 導(dǎo)電屬性和手性控制、碳納米管的低成本大批量 可控 制備及碳納米管的規(guī)?；?應(yīng)用， 本項(xiàng)目設(shè)置以下四個(gè)課題，即：課題一， 碳納米管的導(dǎo)電屬性與手性控制制備方法及原理研究 ；課題二， 面向規(guī)模應(yīng)用的碳納米管低成本批量制備及分離技術(shù)研究；課題三， 碳納米管復(fù)合材料關(guān)鍵制備技術(shù)及規(guī)?；瘧?yīng)用研究 ；課題四， 碳納米管在鋰離子動(dòng)力電池及柔性光電器件中的應(yīng)用研究 。 本項(xiàng)目集中了國(guó)內(nèi)碳納米管研究領(lǐng)域的主要優(yōu)勢(shì)團(tuán)隊(duì)，結(jié)合各自研究基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)，既有明確課題分工，又相互合作與聯(lián)系，以保證本項(xiàng)目的順利實(shí)施，并力爭(zhēng)突破碳納米管研究中可控制備和實(shí)際應(yīng)用這兩個(gè)瓶頸問題。 本項(xiàng)目 所設(shè)四個(gè)課題之間既相互獨(dú)立又 有機(jī)關(guān)聯(lián)：課題一主要進(jìn)行碳納米管的導(dǎo)電屬性和手性控制制備與生長(zhǎng)機(jī)制等研究，其結(jié)果將為課題二中碳納米管的低成本、宏量可控制備技術(shù)的建立提供指導(dǎo)和借鑒；課題二重點(diǎn)針對(duì)課題三和課題四應(yīng)用研究對(duì)碳納米管的特殊要求，規(guī)模制備具有特定結(jié)構(gòu)的碳納米管，為課題三、課題四碳納米管的應(yīng)用研究提供材料保障；課題三和課題四均為面向國(guó)家重大需求，開展碳納米管的規(guī)模應(yīng)用研究，對(duì)碳納米管的結(jié)構(gòu)和性能提出具體的要求，從而為課題一、課題二的控制制備研究指引方向。此外，碳納米管的規(guī)模化應(yīng)用研究必將成為碳納米管制備研究的重要?jiǎng)恿蜖恳?，并推?dòng)碳 納米管研究領(lǐng)域的整體發(fā)展。 課題一： 碳納米管的導(dǎo)電屬性與手性控制制備方法及原理研究 研究目標(biāo)： 建立和發(fā)展碳納米管 導(dǎo)電屬性及手性控制 制備 方法 。 獲得導(dǎo)電屬性或手性均一的碳納米管 ， 為其 性能 研究和應(yīng)用奠定基礎(chǔ) 。 揭示碳納米管的生長(zhǎng)機(jī)制和可控生長(zhǎng)原理 。 主要 研究?jī)?nèi)容： 在制備過程中原位施加電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度擾動(dòng)、光輻照等外場(chǎng)耦合，考察其對(duì)碳納米管導(dǎo)電屬性選擇性的影響，并探討相關(guān)機(jī)理。 以 切 短 的單壁碳納米管、富勒烯分子 和 有機(jī)合成 的碳碗結(jié)構(gòu) 等 作為 催化劑，采用碳“端帽”導(dǎo)向生長(zhǎng)方法，制備手性均一的碳納米管。 發(fā)展宏量制備 單一導(dǎo)電屬性 或手性單壁碳納米管的 方法 。 通過調(diào)控 金屬或非金屬催化劑的結(jié)構(gòu)、組成、形貌等 控制單壁碳納米管的 微觀 結(jié)構(gòu) 。 建立在透射電鏡 及 激光拉曼光譜下原位研究碳納米管生長(zhǎng)過程的實(shí)驗(yàn)平臺(tái) ，研究碳納米管在生長(zhǎng)過程中的結(jié)構(gòu)演變規(guī)律。 計(jì)算模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，闡釋碳納米管的結(jié)構(gòu)控制生長(zhǎng)原理。 主要承擔(dān)單位： 北京大學(xué)、中科院金屬研究所 課題負(fù)責(zé)人： 張錦 教授 經(jīng)費(fèi)比例 ： % 課題二： 面向 規(guī)模 應(yīng)用的碳納米管低成本 批量 制備 及分離 技術(shù)研究 研究目標(biāo)： 建立高活性、高效率定向催化 生長(zhǎng) 碳納米管 的 有序結(jié)構(gòu) 催化劑 的設(shè)計(jì)原理和 制備 方法。 構(gòu)建低成本、連續(xù)化規(guī)模制備碳納米管的反應(yīng)器及其配套體系。 發(fā)展高純度、超直碳納米管及其陣列的批量（千噸級(jí) /年）制備技術(shù)。 發(fā)展 碳納米管 的 宏量分離技術(shù)， 實(shí)現(xiàn) 金屬性 /半導(dǎo)體性單壁碳納米管 的分離。 主要 研究?jī)?nèi)容： 設(shè)計(jì)與 合成 用于碳納米管定向、高效生長(zhǎng)的有序結(jié)構(gòu)納米層狀金屬催化劑 。 設(shè)計(jì) 多級(jí)逆流變徑流化床反應(yīng)器，研究該反應(yīng)器內(nèi)碳納米管的生長(zhǎng) 規(guī)律、工藝優(yōu)化及在線監(jiān)控技術(shù)。 研究大尺 寸多級(jí)逆流變徑流化床 反應(yīng)器中氣固流體力學(xué)對(duì) CVD 法 生長(zhǎng)碳納米管的影響 規(guī)律。 建立宏量碳納米管的純度及有序度的綜合評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)。 規(guī)模制備高純度碳納米管及高導(dǎo)電、導(dǎo)熱碳納米管和鯡魚骨狀碳納米管。 研究分散劑和多孔凝膠分離介質(zhì)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)對(duì)不同導(dǎo)電屬性碳納米管的分離效率的影響， 實(shí)現(xiàn) 單壁碳納米管導(dǎo)電屬性低成本 、高純度的 宏量分離 。 主要承擔(dān)單位： 清華大學(xué)、中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所 課題負(fù)責(zé)人： 魏飛 教授 經(jīng)費(fèi)比例： % 課題三： 碳納米管復(fù)合材料關(guān)鍵制備技術(shù)及規(guī)模化應(yīng)用研究 研究目標(biāo)： 建立碳納米管的分散方法，實(shí)現(xiàn)碳納米管在橡膠、鋁合金等基體中的均勻 分散。 揭示 碳納米管與 輕 金屬 及橡膠 的界面耦合作用 ， 建立可靠的碳納米管 /金屬 及碳納米管 /橡膠 復(fù)合技術(shù) 。 闡明碳納米管在復(fù)合材料中的 強(qiáng)化機(jī)制 。 制備出 高性能 碳納米管復(fù)合 飛行器成像系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)件 及汽車輪胎樣件 ，推動(dòng)碳納米管的實(shí)用化。 主要 研究?jī)?nèi)容： 采 用化學(xué)改性、 攪拌摩擦加工 及變形加工技術(shù)制備碳納米管 /金屬 和碳納米管 /橡膠復(fù)合材料 。 利 用 XRD、電子顯微分析及拉曼光譜等手段研究碳納米管、預(yù)制體及復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu) ， 對(duì)碳納米管本征特性、缺陷、雜質(zhì)與分布排列 等 對(duì)復(fù)合材料性能 的 影響進(jìn)行表征與評(píng)價(jià)，探 討復(fù)合材料的工藝 /質(zhì)量可控性 。 考察復(fù)合材料的 微觀結(jié)構(gòu)演化 ， 建立性能特征譜圖，研究復(fù)合材料在外場(chǎng)作用及多因素交互作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)行為與失效行為，建立材料組織 與 性能 的本構(gòu)關(guān)系 。 根據(jù)組織 性能 的 本構(gòu)關(guān)系 ，優(yōu)化 復(fù)合材料 的 制備 工藝 ，設(shè)計(jì)制備一系列復(fù) 合材料進(jìn)行 結(jié)構(gòu) 性能優(yōu)化 ， 考察 碳納米管 的 強(qiáng)化機(jī)制 。 開發(fā)碳納米管復(fù)合材料 飛行器成像系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)件 及汽車輪胎樣件 。 主要承擔(dān)單位： 中科院金屬研究所、北京化工大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 馬宗義 研究員 經(jīng)費(fèi)比例： 21% 課題 四 ： 碳納米管在鋰離子動(dòng)力電池及柔性光電器件中的 應(yīng)用研究 研究目標(biāo)： 獲得高安全性、高功率特性 碳納米管 復(fù)合電極材料的優(yōu)化結(jié)構(gòu)及制備方法。 研制基于碳納米管復(fù)合電極材料的高功率型鋰離子電池，并推動(dòng)其在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用。 建立碳納米管結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電屬性等與其薄膜透明導(dǎo)電性的關(guān)系， 闡釋碳納米管的透明導(dǎo)電機(jī)制。 發(fā)展單分散 碳 納米 管的 再組裝成膜方法，制備大面積碳納米管透明導(dǎo)電薄膜，推動(dòng)其 在 柔性 顯示器 中的應(yīng)用。 主要 研究?jī)?nèi)容： 研究 碳納米管 在 復(fù)合電極 中 的分散特性、 網(wǎng)絡(luò) 構(gòu)建及界面結(jié)合情況， 采用 機(jī)械融合等方法 制備高功率特性、高安全性和高 能量 密度的碳納米管 復(fù)合電極材料。 考察碳納米管復(fù)合電極材料的電化學(xué)儲(chǔ)鋰特性，建立 碳納米管 對(duì) 鋰離子電池 首次效率、可逆容量 和 大電流放電性能 等 的影響 規(guī)律。 研究碳納米管 對(duì) 鋰離子電池高功率放電過程中電芯溫度場(chǎng)分布和電池安全性的影響， 考察 碳納米管提高鋰離子動(dòng)力電池安全 性 及功率特性的 機(jī)制。 開發(fā) 基于碳納米管復(fù)合電極材料的電動(dòng)汽車用鋰離子電池，并開展其應(yīng)用研究。 研究弱酸氧化碳納米管及其單分散技術(shù)， 發(fā)展 碳 納米 管 的 再組裝成膜 與氫鹵酸還原 方法 。 研究碳納米管的結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電屬性、分散度、成膜工藝等對(duì)薄膜性能的影響，優(yōu)選碳納米管 薄膜的制備技術(shù) ，制備 大面積碳納米管薄膜， 開展其作為柔性顯示器透明電極的應(yīng)用研究。 主要承擔(dān)單位： 中科院金屬研究所、中科院成都有機(jī)化學(xué)有限公司 課題負(fù)責(zé)人： 成會(huì)明 研究員 經(jīng)費(fèi)比例： 26% 四、年度計(jì)劃 年 度 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 一 年 以 SiO C60、短切的碳納米管、 BN等非金屬作為催化劑生長(zhǎng)碳納米管。 建立準(zhǔn)確、可靠的碳納米管導(dǎo)電屬性表征方法和平臺(tái)。 通過原位施加電場(chǎng)、磁場(chǎng)、光輻照、氧化等選擇性生長(zhǎng)金屬性或半導(dǎo)體性碳納米管。 以 蛭石、水滑石、棒狀纖維及球形顆粒等有 序結(jié)構(gòu)為載體制備 金屬組分高分散度的 催化劑 。 優(yōu)化乙烯或甲烷等碳源 ,溫度 ,壓力等生長(zhǎng)條件，實(shí)現(xiàn)小批次的不同壁數(shù)的碳納米管的定向生長(zhǎng) 。 建立 高分辨透射電鏡與化學(xué)吸附結(jié)合的手段研究催化劑分散度的表征方法與平臺(tái) 。 宏量分離不同導(dǎo)電屬性碳納米管的裝置建立。 研究橡膠與碳納米管水相納米復(fù)合的方法及其機(jī)理，主要包括碳納米管表面有機(jī)化方法以及碳納米管橡膠乳液懸浮混合體系絮凝動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究 。 研究水相分散和乳液共混過程中介質(zhì)與工藝對(duì)碳納米管表面結(jié)構(gòu)及分 實(shí)現(xiàn)利用多種非金屬催化劑高效生長(zhǎng)碳 納米管。 建立多波長(zhǎng)激光拉曼光譜、吸收光譜、 FET 檢測(cè)等表征碳納米管導(dǎo)電屬性的方法。 通過原位施加外場(chǎng)，獲得某種導(dǎo)電屬性占優(yōu)的碳納米管。 獲得高活性及高穩(wěn)定性的有序結(jié)構(gòu)催化劑。 實(shí)現(xiàn)少壁 （ 35 層 ） 碳納米管的定向 （ 折疊 ） 生長(zhǎng) , 長(zhǎng)徑比大于 5000，純度大于 99%。 實(shí)現(xiàn)單壁碳納米管的定向 （ 折疊 ） 生長(zhǎng)，長(zhǎng)徑比大于 3000，純度大于 99%。 完成 宏量分離不同導(dǎo)電屬性碳納米管系統(tǒng)的 建立 。 確定碳納米管改性方法、水相分散及乳液共混工藝與介質(zhì)種類，實(shí)現(xiàn)碳納