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靜電紡絲設(shè)備NF-500在正負極材料上的運用

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、負極材料及隔膜三大鋰電關(guān)鍵材料的構(gòu)筑。

正極材料

正極是鋰離子電池中主要鋰離子（Li+）供體，也是影響鋰離子傳輸速率的關(guān)鍵因素，開發(fā)安全、經(jīng)濟、高性能和高容量的正極材料可以有效促進鋰離子電池的應(yīng)用。目前，商業(yè)正極材料（如LiFePO4）的放電比容量普遍低于200mAh/g，是制約鋰離子電池日益增長的高能量密度和低成本需求的瓶頸之一。在各種提高正極材料電化學(xué)性能的方法中，納米涂層和通過靜電紡絲技術(shù)控制納米結(jié)構(gòu)形貌已被證明是有效的方法。研究人員采用高壓靜電紡絲技術(shù)和熱處理法成功地合成了花狀Li1.2Ni0.17Co0.17Mn0.5O2正極材料，這種有序的多孔花狀形貌結(jié)構(gòu)可促進鋰離子的快速擴散，組裝的電池循環(huán)放電容量可高達235mAh/g。靜電紡絲技術(shù)這種簡單可行的合成方法為設(shè)計鋰離子電池正極理想的結(jié)構(gòu)提供一條有效的途徑。

也有研究者通過“靜電紡絲技術(shù)和后續(xù)退火處理"策略合成了形貌可控的五氧化二凡（V2O5）納米結(jié)構(gòu)（如多孔V2O5納米管、層狀V2O5納米纖維和單晶V2O5納米帶），作為鋰離子電池高性能正極材料，其表現(xiàn)出高度的可逆容量和優(yōu)異的循環(huán)性能，其中多孔V2O5納米管的功率密度為40.2kW/kg，而能量密度為201Wh/kg。另外，通過摻雜過渡金屬元素也可改善電極活性材料的性能，從而提升鋰離子電池的電化學(xué)性能。另外，研究人員采用靜電紡絲和熱處理相結(jié)合的方法制備了Li2Mn0.8Fe0.2SiO4/碳復(fù)合納米纖維，研究發(fā)現(xiàn)，鐵元素摻雜提高了電極材料的導(dǎo)電性和純度，碳納米纖維基體促進了離子轉(zhuǎn)移和電荷擴散，該材料作為鋰離子電池正極時表現(xiàn)出良好的可逆容量和優(yōu)異的循環(huán)性能。

負極材料

近年來，由于簡單的碳基負極材料的能量利用率較低，使得電池負極結(jié)構(gòu)設(shè)計變得更加復(fù)雜和精細，借助靜電紡絲/靜電噴霧涂成絲成膜技術(shù)可以突破相關(guān)瓶頸。例如，研究人員針對鋰離子電池二氧化鈦/碳基（TiO2/C）負極容量利用率低和循環(huán)性能差的問題，通過靜電紡絲、水熱處理和碳化工藝制備了枝狀TiO2@介孔碳納米纖維（TiO2@MCNFs）（如圖3所示），作為主干支撐體的枝狀TiO2@MCNFs復(fù)合材料具有大量暴露的納米TiO2晶格，可提供鋰離子傳輸本征晶體通道，其交織的碳納米纖維骨架具有較高的結(jié)構(gòu)完整性和機械柔韌性，枝狀TiO2@MCNFs作為負極材料具有優(yōu)異的放電容量（1932mAh/g）和優(yōu)異的循環(huán)性能（100次循環(huán)后的可逆容量為617mAh/g）。枝狀碳基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電化學(xué)性能為開發(fā)實用型靜電紡絲氮、硫、磷和硼等雜原子摻雜的碳納米纖維負極材料提供了新的思路，如通過靜電紡絲制備硅納米顆粒修飾的氮摻雜碳納米纖維（W-Si@N-CNFs）和具有開放通道的氮摻雜碳納米纖維（N-CNFO）。

                                    圖3 枝狀TiO2@MCNFs的制備示意圖以及TEM圖、HR-TEM圖

具有高理論比容量的金屬氧化物材料也被認為是很有前途的負極材料，使用過渡金屬納米顆粒修飾來提高表面電化學(xué)反應(yīng)活性利于進一步改善電池性能，如氧化鐵（Fe2O3）-碳纖維復(fù)合材料、氧化錳（MnO）-碳纖維復(fù)合材料、包覆高導(dǎo)電的氮化鈦（TiN）/TiOxNy層的Li4Ti5O12納米纖維。此外，通過靜電紡絲制備中空的氧化鎳（NiO）納米纖維和通過同軸靜電紡絲制備核殼的硅/碳基（Si/C）@CNF無紡布等特殊纖維結(jié)構(gòu)，也可顯著地提高負極材料的電化學(xué)性能。

NF-500高性能實驗機