靜電紡絲技術在鋰離子電池隔膜材料方面的應用

發布日期：2023-09-14 瀏覽次數：873

靜電紡絲技術在鋰離子電池材料方面的應用

靜電紡絲技術具有設備簡單、操作簡單、生產效率相對較高等優點，被廣泛應用于納米纖維的制備。采用靜電紡絲技術制備的納米纖維，具有比表面積大、柔軟等特點，被廣泛應用于電池、催化劑、環境保護、噪音吸收、電子、醫療等領域。

靜電紡絲需要的設備有高壓電源、收集裝置、溶液儲存裝置、噴射裝置等（如圖1所示）。其原理是利用高壓電源，在溶液與收集裝置之間形成電壓差，使得溶液克服液體的表面張力而形成泰勒錐。當電壓超過一定值，液體就會從泰勒錐端部噴射出來。噴射的液體沿著電場力的方向被拉伸，經過冷卻和溶劑揮發，最終在收集裝置上形成納米纖維。一般情況下，靜電紡絲所需的電壓在幾千伏至幾十千伏之間。

近年來，利用靜電紡絲技術制得的具有多種結構的納米纖維已被廣泛應用于鋰離子電池領域。靜電紡絲技術可以用于正極材料、負極材料及隔膜三大鋰電關鍵材料的構筑。

靜電紡絲納米纖維膜（單層膜、多層膜、復合膜和改性膜）具有多孔結構、孔隙率高和比表面積大等特點，成為提高離子傳輸效率的電池隔膜理想的候選材料。聚酰亞胺（PI）作為一種綜合性能優異的特種功能聚合物，已被開發為靜電紡絲納米纖維膜。研究人員通過靜電紡絲/熱交聯工藝制備了堅固的氟化聚酰亞胺（FPI）納米纖維膜，隔膜具有很高的機械強度（31.7MPa）、較小的平均孔徑和狹窄的孔徑分布，在防止鋰枝晶的生長和滲透方面表現出良好的性能，可組裝成安全可靠的鋰離子電池。

結合不同纖維層的優點，通過調控紡絲順序可制備出具有多層結構的納米纖維膜，作為多層隔膜在機械強度、熱穩定性和電化學性能等方面獲得更優異的性能。有研究者通過順序靜電紡絲技術制造了具有強大機械強度（拉伸強度達到13.96MPa）和熱穩定性的新型三明治結構的PVDF/聚間苯二甲酰間苯二胺（PMIA）/PVDF納米纖維電池隔膜，它具有熱閉孔功能，且該多層膜組裝的電池比商用的聚烯烴隔膜具有更穩定的循環性能和更好的倍率性能，為高性能電池隔膜的設計和開發提供了新的思路。

在靜電紡絲溶液中加入兩種或以上的有機聚合物或無機填料，制備的復合納米纖維膜是提高隔膜性能的另一種有效方法，由于不同的聚合物或無機填料具有不同的物理化學性能和電化學特性，與單一的聚合物前體相比，含有多種聚合物材料的復合膜的綜合性能得到改善。例如，研究人員采用靜電紡絲法制備了木質素/聚丙烯腈復合纖維膜（L-PANs），得益于L-PANs較高的孔隙率（74%）以及良好的電解質浸潤性，其組裝的電池表現出良好的倍率性能和循環性能，由于L-PANs的制備成本低且工藝簡單，可作為鋰離子電池隔膜的理想候選材料。為了進一步提高靜電紡絲膜的力學性能和電化學性能，還有一種有效的方法是對靜電紡絲膜進行后處理（包括對其化學結構或表面形貌等進行改性），以便得到綜合性能優異的改性隔膜。研究人員通過靜電紡絲和浸涂法在PVDF-HFP納米纖維表面修飾生長一層薄的聚多巴胺（PDA）功能層，形成了核殼結構（如圖4所示），其作為高安全性的改性隔膜，與純PVDF-HFP膜相比，PDA涂層PVDF-HFP復合膜不僅顯示出更高的熱穩定性，而且還顯示出增強的機械強度和拉伸強度，由PVDF-HFP-PDA復合膜組裝的鋰離子電池具有良好的循環穩定性和倍率性能，并且整個反應過程是在環境友好的水系溶液中進行，可以滿足大型鋰離子電池的安全使用要求。