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整理 | 院所各领域近期科研成果

文章来源 :XPJ(中国)智汇工场  |  发布时间 :2024-07-11  


      为加速科技成果高效转化 ,推动科研项目迈向市场应用的进程 ,XPJ(中国)整理了近期在新能源汽车 、新材料 、生物医药等领域的科研成果 ,涵盖动力电池防护 、聚乙烯转化制备汽油 、高能量密度锂金属电池等多个创新项目 。

01

FIAM-EP抗冲击灌封材料在动力电池防护领域的研究及应用取得进展

      领域 :新能源汽车 、新材料
      机械滥用致使的电池失效 ,即外部载荷作用下电芯发生剧烈变形以及内隔膜受损 ,导致内部发生短路 ,是电动汽车在交通碰撞事故中最为普遍的失效模式之一 。为提高电池包在机械滥用条件下的安全性 ,研究团队通过将智能抗冲击FIAM因子与环氧灌封材料进行化学复合 ,开发出一种能够有效抵御冲击载荷的电子灌封材料FIAM-EP 。
      近年来 ,电动汽车在国内外市场中的活跃表现吸引了越来越多的业界关注 。相较于传统的燃油汽车 ,电动汽车具有更好的环保性 、经济性以及操控性 ,因此受到了大量消费者的青睐 。然而 ,与此同时所带来的安全风险也是不容小觑的 。随着电池储能效力的日益提高 ,其受损后可能产生的危险等级也成比例地上升 ,近期针对电动汽车相关的事故报道已经屡见不鲜 ,最为常见的便是动力电池包受损后所引起的起火 、爆炸以及有毒气体泄漏 。
      目前 ,电池包中包含大量相互联通的电芯单元 ,单个电芯的失效也可能诱发“多米诺”效应 ,造成结构整体的后继破坏 。因此 ,业界提出了利用灌封材料对电池包进行热-力-电多场保护的技术手段 。通过将灌封材料注入到电芯间的空隙之中 ,可以使其有效包裹每个独立单元 ,并在各个电芯之间形成连结 ,构成完整的电池包结构 。
      相较于传统环氧灌封胶 ,除了满足灌封材料基本的导热 、绝缘以及耐腐蚀要求外 ,研究团队开发的FIAM-EP具备更加优异的力学性能 ,尤其是在冲击效应作用下所展现出的强化特性 ,可以对机械滥用条件下的电池包形成更有效的保护 。采取多种测试手段对FIAM-EP的动 、静态力学性能进行表征 ,可以发现FIAM因子的注入显著提高了环氧基材的延性 、韧性 、阻尼特性以及能量吸收率 ,并且提升效力随加载速率的提高而愈发凸显 。以材料的延性为例 ,在应变率为3000s-1的动态压缩测试中 ,原始的环氧材料失效应变为0.26 ,而FIAM-EP的失效应变为0.61 ,延性提升率到达了135% 。在完整建立材料力学特性的基础上 ,通过侧向压痕与落槌冲击两种测试手段 ,等效还原了电芯与电池包在机械滥用条件下的力-电耦合行为 ,表征了外载作用下灌封材料的真实防护性能 。在侧向压痕测试中 ,FIAM-EP提高了受包裹电芯的极限承载力 ,并且有效延缓了内部短路的触发阈值 ,展现出了对大变形效应的抗力提升作用 。在落锤测试中 ,相较于原始灌封材料 ,灌封在FIAM-EP中的电池包受到了更好的保护 ,主要体现在各电芯表面的变形量降低 ,中心区域的加速度衰减显著 ,这主要归功于FIAM因子的冲击强化特性以及对基材阻尼性的增益效果 。基于上述实验结果可以发现 ,采用FIAM-EP灌封材料可以一定程度上提高车用电池包在行驶 、磕碰以及撞击情况下的结构安全性 ,降低极端载荷下的安全风险 。

图1. 机械滥用测试方法与测试结果

02

在医疗器械流速传感器研究方面取得新进展

      领域 :生物医药 、传感器 、医疗器械
      许多临床治疗过程中有流体参与 ,例如输注泵中的药液 ,呼吸机中的空气等等 ,保证药物输注过程中的精确给药以及人工通气过程中的精确送气可降低患者的发病率及死亡率 ,因此 ,精确地测量流体流速在临床治疗中具有十分重要的意义 。然而 ,当前的流速传感器造价较高 ,限制了其在成本有限的医疗器械中的应用 。近来研究员团队设计并制备了一款基于柔性平面曲梁结构(FPCBS)的光电式流速传感器 ,该传感器对气体和液体的流速测量都具有高灵敏度 、良好的机械耐久性以及可靠的结构鲁棒性等优势 ,同时具有造价低廉 ,实用性强 ,与药液接触部分材料具有生物相容性的特点 ,适合在现有医疗器械内广泛推广 。
      基于柔性平面曲梁结构(FPCBS)的光电式流速传感器(图1)传感原理为将敏感片垂直放置在透光管路内 ,并把光电传感器与敏感薄片所在平面平行放置 ,光电传感器的发射端和接收端分别位于透光管路两侧 。当流体流动时 ,施加在敏感薄片上的压力使其中心平面产生横向位移并遮挡光电传感器中发射端和接收端之间的光路 。随着流体流速的增大 ,敏感薄片的中心平面的位移量增大 ,对光电传感器发射端和接收端之间的红外光路的遮挡程度增大 ,进而导致光电传感器接收端导通程度的降低 ,从而导致接收端电压的降低 。通过对所提出流速传感器中的核心变形单元敏感薄片进行力学分析(图2) ,确定敏感薄片的几何参数 。分别在气体和液体中测定所提出的流速传感器的基本性能 ,并将其集成在呼吸机和电子输注泵中验证其在临床应用的可行性(图3和图4) 。该工作不仅具有重要的基础研究学术意义 ,而且具有很好的产业化应用前景 。

图1基于FPCBS的光电式流速传感器的设计与制备工艺 。(a)基于FPCBS的光电式流速传感器示意图 。插图:基于FPCBS的光电式流速传感器的传感原理简图 。(b)基于FPCBS的光电式流速传感器的制备工艺 。

图2基于FPCBS的光电式流速传感器的基本传感性能和原理 。(a)基于FPCBS的光电式流速传感器光学图像 。(b)无流体流动时 ,敏感薄片相对于红外光路的状态 。(c)流体流动时 ,敏感薄片相对于红外光路的状态 。(d)通过有限元方法比较了四种不同柔性大变形结构薄片的轴向位移 。(e)所提出的FPCBS的力学几何模型 。(f)在相同压力下参数r1对位移的影响 。(g)在相同压力下参数w对位移的影响 。(h)在相同压力下参数θ对位移的影响 。(i)在相同压力下参数t对位移的影响 。(j)所设计的流速传感器的外围电路 。(k)对薄片位移的电学响应 。

图3流速传感器检测气体流速的性能和应用 。(a)不同气体流速下敏感薄片的光学图像 。(b)流速传感器的相对电压变化与气体流速的关系 。(c)在气体流速为23SLPM(标准升每分钟)下 ,反复加载和卸载75个循环时的相对电压变化 。(d)前三个周期和后三个周期耐久性误差的比较 。(e)将流速传感器置于强气流下不同时间后 ,在气体流速为12SLPM时 ,流速传感器的相对电压变化 。(f)将流速传感器应用于家用呼吸机 。插图:容积辅助呼吸模式的压力曲线 。(g)呼吸引发的相对电压变化 。

图4流速传感器检测液体流速的性能和应用 。(a)流速传感器的相对电压变化与流体流速的关系 。(b)在液体流速为250mL/h下反复加载和卸载75个循环时的相对电压变化 。(c)循环加载中的前三个周期和后三个周期的耐久性误差比较 。(d)配有流速传感器的商用电子输液泵示意图 。(e)商业输液泵滑块的运动模式 。(f)将流速传感器应用于商用输注泵 。(g)商用流速传感器对输注泵的响应 。插图:一个周期内的输出信号 。(h)所提出的流速传感器对输注泵的电学响应 。插图:一个周期内的两个峰值 。

03

在聚乙烯转化制备汽油方面取得重要进展

      领域 :新材料
      塑料制品在现代生产生活中具有不可替代的作用 ,极大地促进了社会经济的发展 ,同时也产生了大量很难自然降解的废旧塑料垃圾 ,对生态环境与人类健康造成危害 ,引起了全世界的高度关注 。因此 ,废弃塑料的资源化利用对解决塑料污染问题 、实现绿色可持续发展意义重大 。废弃塑料中 ,聚乙烯的转化难度很大 ,其非极性的碳碳键难以活化和断裂 。目前已有的聚乙烯转化策略主要依赖于高反应温度(400℃以上) 、贵金属催化剂和外加氢源 ,从而限制了聚乙烯化学回收的工业化 。如何低成本且高效地转化聚乙烯一直是塑料转化领域的重要难题 。
      近日研究团队利用层状自支撑分子筛作为催化剂成功实现了低温(240 ℃) 、无贵金属 、无氢气 、无溶剂条件下聚乙烯塑料转化制备高品质汽油 ,收率达到80% 。该策略利用层状自支撑分子筛丰富的外比表面积和介孔孔道 ,使得聚烯烃大分子与催化剂活性位点充分接触 ,并且这种层状自支撑分子筛具有独特的开放骨架三配位铝位点 ,有助于活化碳氢键 ,形成碳正离子 ,促进聚烯烃碳碳键发生β-裂解 。自支撑分子筛高效催化部分聚乙烯芳构化 ,为产生的小分子烯烃转化为烷烃提供氢源 ,从而以自供氢的方式产生汽油 。所制备的汽油组分中 ,能提升辛烷值的支链烷烃含量是商用汽油的近两倍 。该工作为废弃聚乙烯催化转化制备高品质汽油提供了新的路线 ,具有良好的应用前景 。

层状自支撑分子筛催化聚乙烯转化制备汽油


04

在高能量密度锂金属电池研究方面取得新进展

      领域 :新材料
      发展高能量密度电池技术对于推动我国能源结构转型升级 、实现“双碳”目标具有重要战略意义 。金属锂因其高理论比容量和低电势 ,被认为是下一代高能量密度电池的理想负极材料 。然而 ,金属锂负极在不均匀沉积/剥离时容易形成枝晶 、产生 “死锂”;同时 ,其充放电过程较大的体积变化会导致电极结构粉化 ,引起严重的界面副反应 。这些问题导致锂金属电池循环性能差 ,且存在安全隐患 。因此 ,设计高效稳定的金属锂复合电极并优化负极-电解质界面 ,对于提升锂金属电池的循环性能具有重要意义 。
      近年来研究团队一直致力于锂复合负极结构设计及界面优化研究 。在前期的工作中 ,研究团队提出构建双层异质结构人工界面层用于保护金属锂负极 ,有效抑制了枝晶生长及界面副反应 ,实现了锂金属电池在高电流密度下的稳定循环(Adv. Mater.2023,35,2300350);设计开发了超支化动态交联结构聚合物电解质 ,在金属锂表面形成具有高弹性的固体电解质界面层 ,提升了锂金属电池的低温循环稳定性 。
      为进一步提升锂金属电池的能量密度 ,减少负极锂用量和降低非活性物质占比是行之有效的途径 。然而 ,在有限锂量的实用条件下 ,负极“死锂”积累和电极粉化问题会严重影响锂金属电池的循环寿命 。近期 ,研究团队提出了一种新型轻量化负极设计 ,采用超轻质聚酰亚胺(PI)替代传统铜箔集流体 ,并通过离子-配体交换化学反应和超薄锂技术构筑了PI-Ag/Li一体化复合负极 。这一设计将负极非活性物质质量占比降低约50% ,锂金属电池的能量密度提高约10% 。
      研究发现 ,金属锂与银原子通过自发固溶扩散机制形成锂-银合金 ,引导锂均匀致密沉积 ,有效减少了锂枝晶和“死锂”的形成;同时 ,锂-银合金与PI之间的强范德华相互作用显著抑制了负极粉化 。电化学测试结果表明 ,超轻质一体化复合负极设计有效提升了高比能锂金属电池实用化条件下的循环稳定性 。此外 ,该复合负极具有高热稳定性和阻燃特性 ,能够在电芯热失控等极端条件下有效阻断热传递 ,提高了锂金属电池的热安全性 。

PI-Ag/Li一体化负极结构与功能示意图

05

在自泵导出粘性渗出液促伤口愈合方面取得研究进展

      领域 :生物医药
      高粘性渗出液严重阻碍伤口愈合 ,极易导致伤口恶化 、感染以及持续炎症刺激 ,是临床伤口治疗的巨大挑战 。理想的伤口敷料应该按需 、及时地去除这些过量渗出液 。然而 ,粘性生物流体的高粘度和弱流动性等固有特性强烈地阻碍了它的有效输运 。在临床实践中 ,必须频繁采用外部物理方法 ,如生理盐水冲洗 、物理擦除和负压治疗等方法去除粘性生物流体 ,不可避免的产生了继发性创伤和持续的疼痛刺激 。因此 ,开发具有高效导出粘性生物流体能力的新一代医用敷料是一个巨大的挑战 。

图 : 三维浸润诱导转移聚合策略(3D-WET)制备具有水化水凝胶通道的自泵油水凝胶敷料(SPD)用于导出伤口粘性渗出液 ,促进糖尿病伤口愈合示意图
      近日研究团队报道了一种具有水化水凝胶通道的自泵油水凝胶敷料(SPD) ,通过单向移除伤口过量粘性生物流体 ,实现了糖尿病伤口的快速愈合 。相比于商用水胶体敷料 ,真皮重塑率增加约14.3% ,伤口愈合时间缩短约33.3% 。这项研究为治疗粘性生物流体相关的慢性伤口提供了新思路 。
      本文整理的院所各领域近期科研成果的项目 ,共计21个 。因篇幅有限 ,只展示了部分项目情况 。若需获取所有项目介绍 。可联系下方微信助手小智 。

    (文字 :柯希阳(实习)    编辑 :柯希阳(实习)    审核 :娄雪松

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