静电纺丝技术在电池领域的应用进展

发布日期：2022-09-20 浏览次数：843

静电纺丝技术在电池领域的应用进展

随着纳米技术的飞速发展,纳米纤维技术已成为纤维科学的前沿和研究热点,并在生物医学、过滤材料、复合增强材料、催化、食品工程等领域得到了广泛应用。

在制备纳米材料的各种方法中,静电纺丝技术在过去数十年中开辟了低成本、简便、高效和可连续的纳米纤维制造技术路线,引起了科研工作者的广泛关注。本文介绍了静电纺丝技术的基本原理、影响参数及种类（溶液静电纺丝、熔融静电纺丝、气流静电纺丝、乳液静电纺丝、同轴静电纺丝、多喷嘴静电纺丝和无针静电纺丝）,并阐明了不同静电纺丝技术种类的原理及特点。文章进一步着重介绍了静电纺丝和静电喷雾技术的优势及其在电池领域的前沿应用,特别是在锂离子电池、燃料电池、太阳能电池及超级电容器的应用,最后展望了静电纺丝和静电喷雾先进制造技术面临的挑战和发展前景。

静电纺丝基本原理

　　静电纺丝法即聚合物喷射静电拉伸纺丝法，与传统方法截然不同。首先将聚合物溶液或熔体带上几千至上万伏高压静电，带电的聚合物液滴在电场力的作用下在毛细管的Taylor锥顶点被加速。当电场力足够大时，聚合物液滴克服表面张力形成喷射细流。细流在喷射过程中溶剂蒸发或固化，最终落在接收装置上，形成类似非织造布状的纤维毡。在静电纺丝过程中，液滴通常具有一定的静电压并处于一个电场当中，因此，当射流从毛细管末端向接收装置运动时，都会出现加速现象，从而导致了射流在电场中的拉伸。

在电子材料领域，纳米纤维有望用于以下应用：
・高效率太阳能电池以及分离器、燃料电池和蓄电池。
・显示器用透明导电滤波器（电极）；触摸板和功能玻璃。

静电纺丝法通常使用材料溶解于溶剂中的溶液作为纺丝材料。

近年来，氧化铝、氧化锆、钛氧化物、锆钛酸铅等陶瓷纳米纤维的纺丝实例频频出现。

静电纺丝系统，如图1所示，由高压电源、聚合物溶液、注射器、喷头和接地收集器组成。聚合物溶液将以恒定的速度从注射器中推出至喷头上。

在喷头上施加20kv至40kv的高压，当电吸引超过聚合物溶液的表面张力时，聚合物溶液喷射器将注向收集器。射流中的溶剂逐渐挥发，当到达收集器时，射流将降低到纳米级。


纺制出的纳米纤维会形成如图2所示的膜。

纤维的取向性取决于收集器。

纳米纤维膜的单位体积的总表面积比微米级纤维膜会大很多。




图2





因此，纳米纤维通过化学或物理改性获得了未有的特性，并有望在各个领域得到新的应用。

如图3所示，即使用同一种聚合物纺丝，也可以通过改变纺丝参数来制备不同形状的纤维，如表面光滑的纤维、珠状纤维和多孔纤维等。