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首页 > 学术中心 > 行业资讯 > 探究静电纺丝在铿离子动力电池中的应用
 

探究静电纺丝在铿离子动力电池中的应用

 
发布日期:2016-02-23
 
    随着科技进步和能源需求的发展,以锂离子电池为动力源的新能源电动汽车成为人们研究和开发的重点,这对锂离子动力电池的比容量、倍率性能、循环稳定性和容量保持率等技术参数提出了更高的要求。为此,研究人员对锂离子动力电池的关键组分进行了广泛研究,包括研发新型材料,采取高效改性方法及制备方法等。其中,通过高效低成本的静电纺丝技术制备纳米纤维材料,改善锂离子动力电池性能逐渐成为研究的热点之一。
    近几年,许多研究者开始采用静电纺丝法制备纳米纤维正极材料,这种纳米纤维状正极材料不仅能增大活性物质的比表面积,提高利用率,增大电池比容量,还因其多孔和纤维相互连接形成互穿网络等结构特点,能加快离子、电子传导,使电池具有优异的循环性能及倍率性能。
    与其他制备方法相比,静电纺丝技术能够制备出更加满足锂离子动力电池电化学性能要求的正极材料。
    静电纺丝技术是指聚合物溶液/熔体在高压静电场力作用下发生喷射拉伸,经溶剂挥发固化得到纤维状材料的一种方法。静电纺丝设备分为单纺型和同轴型两种。其中,单纺型装置主要由注射器、接地收集器和高压电源组成。在电纺过程中注射器中注有聚合物溶液熔体,在注射器喷嘴与接地收集器之间加有高压。随着电压的增大,注射器喷嘴处首先形成圆锥状的液滴,称作Taylo,r锥。当电压增大到一定值时,聚合物溶液/熔体受到的静电力足以克服溶液熔体的表面张力及黏性阻力,从Taybr锥顶端就会喷出带电射流。如果施加电压不够大,射流会破裂成液滴;而当施加电压足够大时,射流会从Taybr锥顶端稳定喷出。在射流喷向接收器的过程中,溶剂不断挥发,射流受到的静电斥力增大,使射流拉长,而射流运动不稳定,最终以螺旋方式打到接收器上,形成聚合物纤维。同轴型静电纺丝装置与单纺型基本相同,只不过喷嘴是含内管道与外管道的双喷嘴。在高压电场作用下,同轴型电纺装置通常能够制备出具有核壳结构的纤维。
    理论上几乎任何可溶的高分子量聚合物都可用于静电纺丝。该技术生产方式简单、成本低且原料来源广泛,制备的纤维比表面积大、孔隙率高、孔径小、长径比大,而且能达到纳米级,这比采用常规方法制得的纤维直径小几个数量级。通过静电纺丝制备的纤维,因具有优异的结构和性能特性,已在服装材料、过滤材料、生物医用材料和隔膜材料等方面得到广泛应用。目前,对静电纺丝的研究主要集中在电纺基本理论构建、工艺参数优化、设备的研制和开发三个方面。影响纤维结构与性能的主要工艺参数包括施加的电压、纺丝流体的流动速率、接收距离及溶液的性质(包括质量分数、黏度和表面张力等)。研究表明,当施加电压、接收距离增大时,收集到的静电纺丝纤维直径下降;而随着纺丝流体推进量和高分子溶液质量分数的增大,纤维直径变大。
    EST在锂离子动力电池中的应用锂离子电池主要由正极、负极、隔膜和电解液构成。其工作原理是电池充电时,Li+从正极化合物中脱出,通过电池内部隔膜,嵌入负极晶格,正极处于贫锂态;放电时则相反,Li+从负极脱出,通过电池内部隔膜,嵌入正极,正极处于富锂态。Li+在电池内部正、负极之间往返嵌入和脱逸,从而在外电路形成电流。
    展望静电纺丝法制备的纳米纤维,因其直径小、比表面积大、孔隙率高等特点,在锂离子电池正极、负极和隔膜中取得了不错的应用效果。但目前还存在着电纺纤维之间的粘结力不够大、纤维膜的机械性能及热稳定性能还不够理想等问题,阻碍了电纺技术在锂离子动力电池中的应用。为解决上述问题,需要对聚合物的性质及相互作用加以研究,如可考虑选用高性能聚合物进行共混电纺,提高复合纤维膜的性能;除了采用的原位生成法以外,还可寻找其他更高效的复合方法解决无机纳米颗粒在电纺纤维表面分散不均匀的难点问题;此外,还需要不断研发和利用新材料。如Zhu等将PVDF电纺膜与聚丙烯酸草酸硼酸锂(LiPAAOB)单离子电导膜复合,改善了PVDF电纺膜的机械性能并提高了电池的安全性能。相信随着电纺技术的不断完善和电纺设备的不断改进,静电纺丝技术将成为锂离子动力电池的一种先进的制备手段,从而加速实现锂离子动力电池的产业化发展。
 
 
 

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