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基本信息

項(xiàng)目名稱：
羧甲基纖維素鋰的制備及其流變性質(zhì)的研究
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
通過(guò)利用羧甲基纖維素鈉的酸化反應(yīng)制備出羧甲基纖維素氫，再利用羧甲基纖維素氫的中和反應(yīng)制備出羧甲基纖維素鋰，同時(shí)考察了羧甲基纖維素鋰的流變性質(zhì)
詳細(xì)介紹：
本文以羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）為原料，羧甲基纖維素鈉經(jīng)過(guò)酸化反應(yīng)和中和反應(yīng)后制備出羧甲基纖維素鋰（CMC-Li），根據(jù)鋰離子原子吸收研究了影響制備羧甲基纖維素鋰的因素，研究結(jié)果表明：最佳的反應(yīng)溫度為35℃；最佳的酸化時(shí)間為10min；加入3mL12﹪氫氧化鋰時(shí)，CMC-Li中Li離子的含量為0.7215mg/L，相對(duì)于-COOLi的取代度為0.23。通過(guò)FT-IR表征樣品的結(jié)構(gòu)，表明本文所制備出的樣品為羧甲基纖維素鋰。 本文研究了羧甲基纖維素鋰的流變性質(zhì)，并且考察了不同制備條件對(duì)羧甲基纖維素鋰流變性質(zhì)的影響。結(jié)果表明CMC-Li保持了與CMC-Na水溶液一致的流變特性，且CMC-Li比CMC-Na具有更強(qiáng)的非牛頓型流體特性，在剪切力的作用下比CMC-Na分子鏈更容易定向、伸展和解纏繞；酸化時(shí)間為7min時(shí)制備的羧甲基纖維素鋰的零剪切粘度最大；不同的反應(yīng)溫度下制備的CMC-Li水溶液的粘度變化趨勢(shì)相同，溫度對(duì)樣品的降解很小，反應(yīng)溫度為23℃時(shí)溶液的零剪切粘度最大。

作品圖片

  • 羧甲基纖維素鋰的制備及其流變性質(zhì)的研究
  • 羧甲基纖維素鋰的制備及其流變性質(zhì)的研究
  • 羧甲基纖維素鋰的制備及其流變性質(zhì)的研究

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

我國(guó)目前所生產(chǎn)的鋰離子電池廢棄后，因?yàn)楦癄€后的電池中含有嚴(yán)重破壞我們環(huán)境的物質(zhì)，已引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。 為了解決液態(tài)鋰電池在這方面的問(wèn)題，我們想尋找一種新型電解質(zhì)來(lái)取代現(xiàn)在電池的電解液以減少污染。CMC-Li是一種離子型纖維素衍生物，除了具有鋰電池電解質(zhì)的普遍性能外，它還具有能天然降解、可再生及優(yōu)良的導(dǎo)電性能等優(yōu)點(diǎn)，并且來(lái)源廣泛，十分適合大規(guī)模應(yīng)用。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

一，采用先進(jìn)設(shè)備，對(duì)不同條件下制得的產(chǎn)品進(jìn)行分析，以探究制備CMC-Li的最佳條件。同時(shí)了解不同條件下的CMC-Li的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)曲線。為開發(fā)性能優(yōu)良的高能鋰電池電液體提供了依據(jù)；二，國(guó)內(nèi)外的很多研究通過(guò)用固體聚合物電解質(zhì)取代現(xiàn)在電池的電解液以減少污染，但是這類電解質(zhì)制備的電池仍然存在廢棄后降解困難等問(wèn)題。CMC-Li是一種離子型纖維素衍生物，它具有能天然降解的優(yōu)點(diǎn)，并且來(lái)源廣泛

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

該項(xiàng)目合成羧甲基纖維素鋰，并研究其的流變性能，對(duì)纖維素衍生物在鋰電池中的應(yīng)用提供一些理論參考價(jià)值，同時(shí)對(duì)纖維素產(chǎn)業(yè)高值化利用具有一定的技術(shù)指導(dǎo)和應(yīng)用前景。 該研究屬基礎(chǔ)研究，為培養(yǎng)本科生的科研能力及創(chuàng)新能力提供根本的平臺(tái)，且該項(xiàng)目具有很強(qiáng)的應(yīng)用背景。

學(xué)術(shù)論文摘要

本文以羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）為原料，羧甲基纖維素鈉經(jīng)過(guò)酸化反應(yīng)和中和反應(yīng)后制備出羧甲基纖維素鋰（CMC-Li），根據(jù)鋰離子原子吸收研究了影響制備羧甲基纖維素鋰的因素，研究結(jié)果表明：最佳的反應(yīng)溫度為35℃；最佳的酸化時(shí)間為10min；加入3mL12﹪氫氧化鋰時(shí)，CMC-Li中Li離子的含量為0.7215mg/L，相對(duì)于-COOLi的取代度為0.23。通過(guò)FT-IR表征樣品的結(jié)構(gòu)，表明本文所制備出的樣品為羧甲基纖維素鋰。 本文研究了羧甲基纖維素鋰的流變性質(zhì)，并且考察了不同制備條件對(duì)羧甲基纖維素鋰流變性質(zhì)的影響。結(jié)果表明CMC-Li保持了與CMC-Na水溶液一致的流變特性，且CMC-Li比CMC-Na具有更強(qiáng)的非牛頓型流體特性，在剪切力的作用下比CMC-Na分子鏈更容易定向、伸展和解纏繞；酸化時(shí)間為7min時(shí)制備的羧甲基纖維素鋰的零剪切粘度最大；不同的反應(yīng)溫度下制備的CMC-Li水溶液的粘度變化趨勢(shì)相同，溫度對(duì)樣品的降解很小，反應(yīng)溫度為23℃時(shí)溶液的零剪切粘度最大。

獲獎(jiǎng)情況

本作品的成果已書寫為科研論文，并將于《造紙科學(xué)與技術(shù)》2011，（2）和2011，（3）上發(fā)表

鑒定結(jié)果

基于該團(tuán)隊(duì)成員的研究成果撰寫而成的《羧甲基纖維素鈉制備羧甲基纖維素鋰的工藝研究》、《羧甲基纖維素鋰溶液的流變性質(zhì)》已被中文核心期刊《造紙科學(xué)與技術(shù)》錄用，并將分別于2011年第二、第三期發(fā)表。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳宇平，萬(wàn)春榮，姜長(zhǎng)印等，《鋰離子二次電池》北京化學(xué)工業(yè)出版社 北京 2002 [2] Ahmad S, Polymer Electrolytes: Characteristics and Peculiarities, Ionics, 2009, 15:309–321 [3] Murata K, Izuchi S,Yoshibisa Y. An Overview of the Research and Development of Solid Polymer Electrolyte batteries. Electrochimica Acta, 1999, 45(3): 489-501 [4] Scrosati B. New Approaches to Develop Lithium Polymer Batteries. the Chemical Record,2001,1:173-181. [5] Dias F B, Plomp L, Veldhuis J B J. Trends in polymer electrolytes for secondary lithium batteries. Journal of Power Sources _2000, 88:.169–191 [6] Max,J.-J.; Chapados,C. Infrared Spectroscopy of Aqueous Carboxylic Acids: Comparison between Different Acids and Their Salts. J.Phys. Chem. A., 2004, 108: 3324-3337. [7]趙揚(yáng). 鋰電池電解質(zhì)溶液中離子溶劑相互作用的熱力學(xué)和譜學(xué)研究.2003 [8]史鵬飛[M].化學(xué)電源工藝學(xué).哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006:212 [9]R.Herr. Organic electrolytes for lithium ion cells [J] .Electrochim.Acta, 1990,（35），1257 [10] 蔡振和，熊犍，周帥等. 羧甲基纖維素鈉制備羧甲基纖維素鋰的工藝研究.造紙科學(xué)與技術(shù)[J].2011,已錄用

同類課題研究水平概述

研究鋰離子電池的關(guān)鍵技術(shù)是采用能在沖放電過(guò)程中嵌入和脫出鋰離子的正負(fù)極材料以及選用合適的電解質(zhì)材料。目前，在鋰離子電池的研究和開發(fā)過(guò)程中，研究者多把精力集中在正、負(fù)極材料上，對(duì)有機(jī)電解質(zhì)沒(méi)有引起足夠的重視。實(shí)際上有機(jī)電解質(zhì)是在電池的內(nèi)部正、負(fù)極之間擔(dān)負(fù)傳遞電荷的作用，是鋰離子電池的重要組成部分，對(duì)電池的性能有很大的影響。電解液的開發(fā)對(duì)鋰離子電池的性能和發(fā)展非常重要。 電解質(zhì)在鋰電池的正、負(fù)極之間起著輸送Li+的作用，導(dǎo)電鋰鹽的研究主要圍繞著尋找大的有機(jī)陰離子，因?yàn)殛庪x子越大，溶劑化越強(qiáng)，更有利于屏蔽Li+，那么Li+更易于遷移。羧甲基纖維素鋰（CMC-Li）是一種離子型纖維素衍生物，具有較大體積的陰離子，若將其應(yīng)用到鋰離子電池的電解質(zhì)中，與陰離子體積較小的鋰鹽相比，CMC-Li可以減少正負(fù)離子的締結(jié)，更為重要的是，Li+在溶液中強(qiáng)烈溶劑化，形成半徑較大的溶劑化離子，從而使陰陽(yáng)離子的半徑大致相當(dāng)。若選用陰離子體積小的鋰鹽，則會(huì)由于陰陽(yáng)離子遷移能力的不同，在充放電過(guò)程中造成濃度梯度，產(chǎn)生過(guò)電位，形成不安全因素。 粘度是影響電解液電導(dǎo)率高低的重要因素之一，溶液的粘度直接影響了離子的移動(dòng)速度，溶液的密度與其粘度有關(guān)，同時(shí)也能提供與溶液細(xì)微結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)。目前，對(duì)于鋰離子電池電解液的粘度的研究中，研究者大多考察的是電解液的靜態(tài)條件下的粘度，對(duì)電解液粘度的動(dòng)態(tài)變化沒(méi)有引起足夠的重視。 本研究所制備的羧甲基纖維素鋰（CMC-Li）是一種離子型纖維素衍生物，相比其他電解質(zhì)，它的最大的特點(diǎn)是可生物降解，是一種“綠色”的、環(huán)境友好的化學(xué)品。
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