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靜電紡絲設備NF-500在正負極材料上的運用

近年來，利用靜電紡絲技術制得的具有多種結構的納米纖維已被廣泛應用于鋰離子電池領域。靜電紡絲技術可以用于正極材料、負極材料及隔膜三大鋰電關鍵材料的構筑。

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鍵因素，開發安全、經濟、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用。目前，商業正極材料（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性能的方法中，納米涂層和通過靜電紡絲技術控制納米結構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構可促進鋰離子的快速擴散，組裝的電池循環放電容量可高達235mAh/g。靜電紡絲技術這種簡單可行的合成方法為設計鋰離子電池正極理想的結構提供一條有效的途徑。

也有研究者通過“靜電紡絲技術和后續退火處理"策略合成了形貌可控的五氧化二凡（V2O5）納米結構（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，其表現出高度的可逆容量和優異的循環性能，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性能。另外，研究人員采用靜電紡絲和熱處理相結合的方法制備了Li2Mn0.8Fe0.2SiO4/碳復合納米纖維，研究發現，鐵元素摻雜提高了電極材料的導電性和純度，碳納米纖維基體促進了離子轉移和電荷擴散，該材料作為鋰離子電池正極時表現出良好的可逆容量和優異的循環性能。

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，使得電池負極結構設計變得更加復雜和精細，借助靜電紡絲/靜電噴霧涂成絲成膜技術可以突破相關瓶頸。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構完整性和機械柔韌性，枝狀TiO2@MCNFs作為負極材料具有優異的放電容量（1932mAh/g）和優異的循環性能（100次循環后的可逆容量為617mAh/g）。枝狀碳基復合材料的結構和優異的電化學性能為開發實用型靜電紡絲氮、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反應活性利于進一步改善電池性能，如氧化鐵（Fe2O3）-碳纖維復合材料、氧化錳（MnO）-碳纖維復合材料、包覆高導電的氮化鈦（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構，也可顯著地提高負極材料的電化學性能。

NF-500高性能實驗機