靜電紡絲技術(shù)在鋰離子電池隔膜材料方面的應(yīng)用

發(fā)布日期：2023-09-14 瀏覽次數(shù)：809

靜電紡絲技術(shù)在鋰離子電池材料方面的應(yīng)用

靜電紡絲技術(shù)具有設(shè)備簡單、操作簡單、生產(chǎn)效率相對較高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于納米纖維的制備。采用靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維，具有比表面積大、柔軟等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電池、催化劑、環(huán)境保護(hù)、噪音吸收、電子、醫(yī)療等領(lǐng)域。

靜電紡絲需要的設(shè)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(dāng)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(jīng)過冷卻和溶劑揮發(fā)，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(shù)制得的具有多種結(jié)構(gòu)的納米纖維已被廣泛應(yīng)用于鋰離子電池領(lǐng)域。靜電紡絲技術(shù)可以用于正極材料、負(fù)極材料及隔膜三大鋰電關(guān)鍵材料的構(gòu)筑。

靜電紡絲納米纖維膜（單層膜、多層膜、復(fù)合膜和改性膜）具有多孔結(jié)構(gòu)、孔隙率高和比表面積大等特點(diǎn)，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(yōu)異的特種功能聚合物，已被開發(fā)為靜電紡絲納米纖維膜。研究人員通過靜電紡絲/熱交聯(lián)工藝制備了堅(jiān)固的氟化聚酰亞胺（FPI）納米纖維膜，隔膜具有很高的機(jī)械強(qiáng)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(xiàn)出良好的性能，可組裝成安全可靠的鋰離子電池。

結(jié)合不同纖維層的優(yōu)點(diǎn)，通過調(diào)控紡絲順序可制備出具有多層結(jié)構(gòu)的納米纖維膜，作為多層隔膜在機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和電化學(xué)性能等方面獲得更優(yōu)異的性能。有研究者通過順序靜電紡絲技術(shù)制造了具有強(qiáng)大機(jī)械強(qiáng)度（拉伸強(qiáng)度達(dá)到13.96MPa）和熱穩(wěn)定性的新型三明治結(jié)構(gòu)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(wěn)定的循環(huán)性能和更好的倍率性能，為高性能電池隔膜的設(shè)計和開發(fā)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(jī)聚合物或無機(jī)填料，制備的復(fù)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(jī)填料具有不同的物理化學(xué)性能和電化學(xué)特性，與單一的聚合物前體相比，含有多種聚合物材料的復(fù)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(zhì)素/聚丙烯腈復(fù)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(zhì)浸潤性，其組裝的電池表現(xiàn)出良好的倍率性能和循環(huán)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(jìn)一步提高靜電紡絲膜的力學(xué)性能和電化學(xué)性能，還有一種有效的方法是對靜電紡絲膜進(jìn)行后處理（包括對其化學(xué)結(jié)構(gòu)或表面形貌等進(jìn)行改性），以便得到綜合性能優(yōu)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(jié)構(gòu)（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(fù)合膜不僅顯示出更高的熱穩(wěn)定性，而且還顯示出增強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，由PVDF-HFP-PDA復(fù)合膜組裝的鋰離子電池具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能，并且整個反應(yīng)過程是在環(huán)境友好的水系溶液中進(jìn)行，可以滿足大型鋰離子電池的安全使用要求。