静电纺丝技术在锂离子电池隔膜材料方面的应用

静电纺丝技术在锂离子电池材料方面的应用

静电纺丝技术具有设备简单、操作简单、生产效率相对较高等优点，被广泛应用于纳米纤维的制备。采用静电纺丝技术制备的纳米纤维，具有比表面积大、柔软等特点，被广泛应用于电池、催化剂、环境保护、噪音吸收、电子、医疗等领域。
静电纺丝需要的设备有高压电源、收集装置、溶液储存装置、喷射装置等（如图1所示）。其原理是利用高压电源，在溶液与收集装置之间形成电压差，使得溶液克服液体的表面张力而形成泰勒锥。当电压超过一定值，液体就会从泰勒锥端部喷射出来。喷射的液体沿着电场力的方向被拉伸，经过冷却和溶剂挥发，最终在收集装置上形成纳米纤维。一般情况下，静电纺丝所需的电压在几千伏至几十千伏之间。

近年来，利用静电纺丝技术制得的具有多种结构的纳米纤维已被广泛应用于锂离子电池领域。静电纺丝技术可以用于正极材料、负极材料及隔膜三大锂电关键材料的构筑。

静电纺丝纳米纤维膜（单层膜、多层膜、复合膜和改性膜）具有多孔结构、孔隙率高和比表面积大等特点，成为提高离子传输效率的电池隔膜理想的候选材料。聚酰亚胺（PI）作为一种综合性能优异的特种功能聚合物，已被开发为静电纺丝纳米纤维膜。研究人员通过静电纺丝/热交联工艺制备了坚固的氟化聚酰亚胺（FPI）纳米纤维膜，隔膜具有很高的机械强度（31.7MPa）、较小的平均孔径和狭窄的孔径分布，在防止锂枝晶的生长和渗透方面表现出良好的性能，可组装成安全可靠的锂离子电池。

结合不同纤维层的优点，通过调控纺丝顺序可制备出具有多层结构的纳米纤维膜，作为多层隔膜在机械强度、热稳定性和电化学性能等方面获得更优异的性能。有研究者通过顺序静电纺丝技术制造了具有强大机械强度（拉伸强度达到13.96MPa）和热稳定性的新型三明治结构的PVDF/聚间苯二甲酰间苯二胺（PMIA）/PVDF纳米纤维电池隔膜，它具有热闭孔功能，且该多层膜组装的电池比商用的聚烯烃隔膜具有更稳定的循环性能和更好的倍率性能，为高性能电池隔膜的设计和开发提供了新的思路。

在静电纺丝溶液中加入两种或以上的有机聚合物或无机填料，制备的复合纳米纤维膜是提高隔膜性能的另一种有效方法，由于不同的聚合物或无机填料具有不同的物理化学性能和电化学特性，与单一的聚合物前体相比，含有多种聚合物材料的复合膜的综合性能得到改善。例如，研究人员采用静电纺丝法制备了木质素/聚丙烯腈复合纤维膜（L-PANs），得益于L-PANs较高的孔隙率（74%）以及良好的电解质浸润性，其组装的电池表现出良好的倍率性能和循环性能，由于L-PANs的制备成本低且工艺简单，可作为锂离子电池隔膜的理想候选材料。为了进一步提高静电纺丝膜的力学性能和电化学性能，还有一种有效的方法是对静电纺丝膜进行后处理（包括对其化学结构或表面形貌等进行改性），以便得到综合性能优异的改性隔膜。研究人员通过静电纺丝和浸涂法在PVDF-HFP纳米纤维表面修饰生长一层薄的聚多巴胺（PDA）功能层，形成了核壳结构（如图4所示），其作为高安全性的改性隔膜，与纯PVDF-HFP膜相比，PDA涂层PVDF-HFP复合膜不仅显示出更高的热稳定性，而且还显示出增强的机械强度和拉伸强度，由PVDF-HFP-PDA复合膜组装的锂离子电池具有良好的循环稳定性和倍率性能，并且整个反应过程是在环境友好的水系溶液中进行，可以满足大型锂离子电池的安全使用要求。















图4 PVDF-HFP-PDA复合膜的制备流程图







NF-500高性能实验机

用于研发的静电纺丝系统
NF-500型是一种用于实验室的静电纺丝设备。　
通过集成诸如50kV高压电源，多孔喷头和卷带收集器以及溶液加热喷头等配件，可以纺各种纳米纤维。



详细介绍

● 卷带收集器

通过与多孔喷头的组合，它可以连续旋转450mm宽的纳米纤维膜。

● 取向纤维膜的制成

使用滚筒收集器，可以制成通常用于细胞培养或电子设备的向性纳米纤维膜。

● 两个内置注射泵

该系统可以使用两个内置泵输送两种不同的溶液，从而制作芯鞘结构纳米纤维。