静电纺丝在高效可逆离子电池储能中的应用

来源期刊：材料导报2018年第19期

论文作者：杜敏 宋滇 谢玲 周愉翔 李德生 朱纪欣

文章页码：3281 - 3294

关键词：静电纺丝;纺丝纤维;锂离子电池;钠离子电池;

摘    要：高效、稳定、低成本可逆离子电池的研究对大型能源存储、便携电子设备、电动汽车、航空航天以及生态环境等领域的发展有着重大意义。可逆离子电池电极材料的微纳设计与结构调控是其高性能化的重要途径。静电纺丝制备功能微纳电极材料具有以下优势:（1）一维构筑单元有利于电子快速传导;（2）微纳化构筑单元具有短的离子扩散距离和高电极/电解液接触比表面积;（3）三维网络骨架结构可有效降低电极结构破坏。同时,通过调节静电纺丝体系参数可实现电极材料的结构、组分、尺寸、表面修饰、掺杂等参量可控制备。非金属（如Si、Ge）、金属（如Sn、Sb）以及过渡金属氧化物（如SnO₂、Fe₂O₃、Co₃O₄）、金属硫化物（如MoS₂、Co₉S₈）负极材料以及磷酸盐（如LiFePO₄、Li₃V₂（PO₄）₃）因具有高的理论比容量和能量密度等优点而被广泛地应用于超级电容器、离子电池（锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池）等新一代储能器件中。然而,低导电性、高体积膨胀率等使得这类材料的倍率性能和使用寿命极大降低,制约了它们的商业化应用前景。基于碳材料（非晶碳、碳纳米管、石墨烯）以及导电聚合物设计制备不同微纳结构的碳基和聚合物基复合材料可有效解决以上难题,提高其储能性能。静电纺丝技术可以通过设计纺丝装置,调控纺丝前驱液的浓度,结合超声磁力搅拌促进纳米颗粒均匀分散以及高温热解等参量调控,有效制备得到自支撑纺丝碳基纤维复合材料。近年来,基于静电纺丝制备的柔性自支撑结构材料被广泛应用于能源存储领域,包括超级电容器、隔膜材料、离子电池等。然而,不同聚合物静电纺丝条件有较大差异,主要由聚合物的分子量大小、带电基团分布、亲疏水性、溶剂、溶液粘度等参量所决定。聚合物静电纺丝的前驱液主要为水溶性高分子与非水溶性高分子,溶剂通常为N,N-二甲基甲酰胺、乙醇等。聚合物与金属盐常被用于静电纺丝制备微纳复合纤维材料,通过调节纺丝参量（如聚合物溶液粘度、溶剂种类、电压、针尖与接收装置之间的距离、聚合物输运速率、温度以及湿度等）对其结构特性进行精确调控,实现储能容量和稳定性的双提升。本文将主要从以下几个方面介绍静电纺丝在可逆离子电池储能中的应用:静电纺丝技术进展,静电纺丝微纳材料在可逆离子电池中的应用,以及该领域研究的总结与展望。