项目名称-碳纳米管的可控制备方法及规模应用关键技术研究-首席科学家

项目名称-碳纳米管的可控制备方法及规模应用关键技术研究-首席科学家内容摘要：

导热特性，可有效提高锂离子动力电池的安全性及高功率特性。 如碳纳米管在电池材料中形成均匀分布的三维导电导热网络，可将电池高功率放电过程中产生的热量及时传导到周围空间，有效降低电芯温升，并改善动力电池内部的温度场均匀性，最终提高电池的安全性及电池组放电过程的一致性。 碳纳米管的高导电性还 可 有效降低电极材料颗粒间的极化，提高动力电池的高功率放电特性。 同时由于碳纳米管具有良好的机械强度，在高容量负极材料中形成三维柔性网络可 有效 抑制 其 体积效应，从而能够在保持高容量的同时改善其循环性能。 因此，碳纳米管复合电极材料的设计思路可行。 本项目提出采用机械融合方法制备碳纳米管复合电极材料 ，该方法 是利用机械力将一种材料镶嵌在另一种材料表面，特别适合于少量纳米材料（如碳纳米管）与微米级基体（如人造石墨或磷酸铁锂）的复合过程，且其界面结合好。 影响碳纳米管薄膜透明导电性的关键因素包括碳纳米管本身的光电特性、碳纳米管间的接触电阻及二维输运网络的构建。 本项目中碳纳米管导电属性可控制备及分离研究组可提供导电属性单一的碳纳米管，而碳纳米管的单分散技术为充分发挥碳纳米管优异性能构建有效网络提供了重要保障。 本项目提出 的采用酸氧化和氢卤酸还原的方法，可获得高度分散的单壁碳纳米管。 即对碳纳米管表面进行官能化处理，使其表面带上与分散介质相容性好的官能团，不仅可以提高其在介质中的分散性，而且成型后经还原处理去除官能团可恢复碳纳米管的导电、导热性能。 因此碳纳米管的可逆表面官能化是实现碳纳米管单分散并保持其优异物性的有效方法。 在此基础上优选特定结构和性能的碳纳米管， 构建具有优化结构的碳纳米管薄膜， 再经还原处理 提高其导电性，可望同时获得高导电性和高透明性。 柔韧性决定 了碳纳米管 薄膜能否在柔性器件 中获得 应用。 影响 碳纳米管 薄膜柔韧性的关键 是 碳纳米管 膜与柔性基体的粘附性。 拟 通过调整分散液和基材的表面张力， 在充分润湿的情况下使碳纳米管 导电网络充分铺展 ，来提高碳纳米管与基体的附着力；同时还可通过 热压、添加粘结剂 、微波加热等方法 来改善粘附性。 本项目组 最近采用 热压方法 制备的 与 柔性基体 结合的 碳纳米管 薄膜 ，经过 10000次的 反复 弯折 实验 后，薄膜的 表面电阻几乎 没有 变化。 因此通过改善 碳纳米管 与基体的粘附力提高 薄膜 柔韧性 的路线 是可行的。 （四） 课题设置 针对当前碳纳米管研究领域中的 关键科学和技术 问题， 即碳纳米管的 导电属性和手性控制、碳纳米管的低成本大批量 可控 制备及碳纳米管的规模化 应用， 本项目设置以下四个课题，即：课题一， 碳纳米管的导电属性与手性控制制备方法及原理研究 ；课题二， 面向规模应用的碳纳米管低成本批量制备及分离技术研究；课题三， 碳纳米管复合材料关键制备技术及规模化应用研究 ；课题四， 碳纳米管在锂离子动力电池及柔性光电器件中的应用研究。 本项目集中了国内碳纳米管研究领域的主要优势团队，结合各自研究基础和优势，既有明确课题分工，又相互合作与联系，以保证本项目的顺利实施，并力争突破碳纳米管研究中可控制备和实际应用这两个瓶颈问题。 本项目 所设四个课题之间既相互独立又 有机关联：课题一主要进行碳纳米管的导电属性和手性控制制备与生长机制等研究，其结果将为课题二中碳纳米管的低成本、宏量可控制备技术的建立提供指导和借鉴；课题二重点针对课题三和课题四应用研究对碳纳米管的特殊要求，规模制备具有特定结构的碳纳米管，为课题三、课题四碳纳米管的应用研究提供材料保障；课题三和课题四均为面向国家重大需求，开展碳纳米管的规模应用研究，对碳纳米管的结构和性能提出具体的要求，从而为课题一、课题二的控制制备研究指引方向。 此外，碳纳米管的规模化应用研究必将成为碳纳米管制备研究的重要动力和牵引，并推动碳 纳米管研究领域的整体发展。 课题一： 碳纳米管的导电属性与手性控制制备方法及原理研究 研究目标： 建立和发展碳纳米管 导电属性及手性控制 制备 方法。 获得导电属性或手性均一的碳纳米管 ， 为其 性能 研究和应用奠定基础。 揭示碳纳米管的生长机制和可控生长原理。 主要 研究内容： 在制备过程中原位施加电场、磁场、温度扰动、光辐照等外场耦合，考察其对碳纳米管导电属性选择性的影响，并探讨相关机理。 以 切 短 的单壁碳纳米管、富勒烯分子 和 有机合成 的碳碗结构 等 作为 催化剂，采用碳“端帽”导向生长方法，制备手性均一的碳纳米管。 发展宏量制备 单一导电属性 或手性单壁碳纳米管的 方法。 通过调控 金属或非金属催化剂的结构、组成、形貌等 控制单壁碳纳米管的 微观 结构。 建立在透射电镜 及 激光拉曼光谱下原位研究碳纳米管生长过程的实验平台 ，研究碳纳米管在生长过程中的结构演变规律。 计算模拟和实验研究相结合，阐释碳纳米管的结构控制生长原理。 主要承担单位： 北京大学、中科院金属研究所 课题负责人： 张锦 教授 经费比例 ： % 课题二： 面向 规模 应用的碳纳米管低成本 批量 制备 及分离 技术研究 研究目标： 建立高活性、高效率定向催化 生长 碳纳米管 的 有序结构 催化剂 的设计原理和 制备 方法。 构建低成本、连续化规模制备碳纳米管的反应器及其配套体系。 发展高纯度、超直碳纳米管及其阵列的批量（千吨级 /年）制备技术。 发展 碳纳米管 的 宏量分离技术， 实现 金属性 /半导体性单壁碳纳米管 的分离。 主要 研究内容： 设计与 合成 用于碳纳米管定向、高效生长的有序结构纳米层状金属催化剂。 设计 多级逆流变径流化床反应器，研究该反应器内碳纳米管的生长 规律、工艺优化及在线监控技术。 研究大尺 寸多级逆流变径流化床 反应器中气固流体力学对 CVD 法 生长碳纳米管的影响 规律。 建立宏量碳纳米管的纯度及有序度的综合评价方法与标准。 规模制备高纯度碳纳米管及高导电、导热碳纳米管和鲱鱼骨状碳纳米管。 研究分散剂和多孔凝胶分离介质的结构性质对不同导电属性碳纳米管的分离效率的影响， 实现 单壁碳纳米管导电属性低成本 、高纯度的 宏量分离。 主要承担单位： 清华大学、中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 课题负责人： 魏飞 教授 经费比例： % 课题三： 碳纳米管复合材料关键制备技术及规模化应用研究 研究目标： 建立碳纳米管的分散方法，实现碳纳米管在橡胶、铝合金等基体中的均匀 分散。 揭示 碳纳米管与 轻 金属 及橡胶 的界面耦合作用 ， 建立可靠的碳纳米管 /金属 及碳纳米管 /橡胶 复合技术。 阐明碳纳米管在复合材料中的 强化机制。 制备出 高性能 碳纳米管复合 飞行器成像系统支撑结构件 及汽车轮胎样件 ，推动碳纳米管的实用化。 主要 研究内容： 采 用化学改性、 搅拌摩擦加工 及变形加工技术制备碳纳米管 /金属 和碳纳米管 /橡胶复合材料。 利 用 XRD、电子显微分析及拉曼光谱等手段研究碳纳米管、预制体及复合材料的微观结构 ， 对碳纳米管本征特性、缺陷、杂质与分布排列 等 对复合材料性能 的 影响进行表征与评价，探 讨复合材料的工艺 /质量可控性。 考察复合材料的 微观结构演化 ， 建立性能特征谱图，研究复合材料在外场作用及多因素交互作用下的动态响应行为与失效行为，建立材料组织 与 性能 的本构关系。 根据组织 性能 的 本构关系 ，优化 复合材料 的 制备 工艺 ，设计制备一系列复 合材料进行 结构 性能优化 ， 考察 碳纳米管 的 强化机制。 开发碳纳米管复合材料 飞行器成像系统支撑结构件 及汽车轮胎样件。 主要承担单位： 中科院金属研究所、北京化工大学 课题负责人： 马宗义 研究员 经费比例： 21% 课题 四 ： 碳纳米管在锂离子动力电池及柔性光电器件中的 应用研究 研究目标： 获得高安全性、高功率特性 碳纳米管 复合电极材料的优化结构及制备方法。 研制基于碳纳米管复合电极材料的高功率型锂离子电池，并推动其在电动汽车中的应用。 建立碳纳米管结构、导电属性等与其薄膜透明导电性的关系， 阐释碳纳米管的透明导电机制。 发展单分散 碳 纳米 管的 再组装成膜方法，制备大面积碳纳米管透明导电薄膜，推动其 在 柔性 显示器 中的应用。 主要 研究内容： 研究 碳纳米管 在 复合电极 中 的分散特性、 网络 构建及界面结合情况， 采用 机械融合等方法 制备高功率特性、高安全性和高 能量 密度的碳纳米管 复合电极材料。 考察碳纳米管复合电极材料的电化学储锂特性，建立 碳纳米管 对 锂离子电池 首次效率、可逆容量 和 大电流放电性能 等 的影响 规律。 研究碳纳米管 对 锂离子电池高功率放电过程中电芯温度场分布和电池安全性的影响， 考察 碳纳米管提高锂离子动力电池安全 性 及功率特性的 机制。 开发 基于碳纳米管复合电极材料的电动汽车用锂离子电池，并开展其应用研究。 研究弱酸氧化碳纳米管及其单分散技术， 发展 碳 纳米 管 的 再组装成膜 与氢卤酸还原 方法。 研究碳纳米管的结构、导电属性、分散度、成膜工艺等对薄膜性能的影响，优选碳纳米管 薄膜的制备技术 ，制备 大面积碳纳米管薄膜， 开展其作为柔性显示器透明电极的应用研究。 主要承担单位： 中科院金属研究所、中科院成都有机化学有限公司 课题负责人： 成会明 研究员 经费比例： 26% 四、年度计划 年 度 研究内容 预期目标 第 一 年 以 SiO C60、短切的碳纳米管、 BN等非金属作为催化剂生长碳纳米管。 建立准确、可靠的碳纳米管导电属性表征方法和平台。 通过原位施加电场、磁场、光辐照、氧化等选择性生长金属性或半导体性碳纳米管。 以 蛭石、水滑石、棒状纤维及球形颗粒等有 序结构为载体制备 金属组分高分散度的 催化剂。 优化乙烯或甲烷等碳源 ,温度 ,压力等生长条件，实现小批次的不同壁数的碳纳米管的定向生长。 建立 高分辨透射电镜与化学吸附结合的手段研究催化剂分散度的表征方法与平台。 宏量分离不同导电属性碳纳米管的装置建立。 研究橡胶与碳纳米管水相纳米复合的方法及其机理，主要包括碳纳米管表面有机化方法以及碳纳米管橡胶乳液悬浮混合体系絮凝动力学进行研究。 研究水相分散和乳液共混过程中介质与工艺对碳纳米管表面结构及分 实现利用多种非金属催化剂高效生长碳 纳米管。 建立多波长激光拉曼光谱、吸收光谱、 FET 检测等表征碳纳米管导电属性的方法。 通过原位施加外场，获得某种导电属性占优的碳纳米管。 获得高活性及高稳定性的有序结构催化剂。 实现少壁 （ 35 层 ） 碳纳米管的定向 （ 折叠 ） 生长 , 长径比大于 5000，纯度大于 99%。 实现单壁碳纳米管的定向 （ 折叠 ） 生长，长径比大于 3000，纯度大于 99%。 完成 宏量分离不同导电属性碳纳米管系统的 建立。 确定碳纳米管改性方法、水相分散及乳液共混工艺与介质种类，实现碳纳。