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靜電紡絲設(shè)備NF-500在正負(fù)極材料上的運(yùn)用

近年來(lái)，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(fù)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(kāi)發(fā)安全、經(jīng)濟(jì)、高性能和高容量的正極材料可以有效促進(jìn)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(zhǎng)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(guò)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(jìn)鋰離子的快速擴(kuò)散，組裝的電池循環(huán)放電容量可高達(dá)235mAh/g。靜電紡絲技術(shù)這種簡(jiǎn)單可行的合成方法為設(shè)計(jì)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(guò)“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(guò)摻雜過(guò)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?fù)诫s提高了電極材料的導(dǎo)電性和純度，碳納米纖維基體促進(jìn)了離子轉(zhuǎn)移和電荷擴(kuò)散，該材料作為鋰離子電池正極時(shí)表現(xiàn)出良好的可逆容量和優(yōu)異的循環(huán)性能。

負(fù)極材料

近年來(lái)，由于簡(jiǎn)單的碳基負(fù)極材料的能量利用率較低，使得電池負(fù)極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜和精細(xì)，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(duì)鋰離子電池二氧化鈦/碳基（TiO2/C）負(fù)極容量利用率低和循環(huán)性能差的問(wèn)題，通過(guò)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(jī)械柔韌性，枝狀TiO2@MCNFs作為負(fù)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(kāi)發(fā)實(shí)用型靜電紡絲氮、硫、磷和硼等雜原子摻雜的碳納米纖維負(fù)極材料提供了新的思路，如通過(guò)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(kāi)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(rèn)為是很有前途的負(fù)極材料，使用過(guò)渡金屬納米顆粒修飾來(lái)提高表面電化學(xué)反應(yīng)活性利于進(jìn)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(guò)靜電紡絲制備中空的氧化鎳（NiO）納米纖維和通過(guò)同軸靜電紡絲制備核殼的硅/碳基（Si/C）@CNF無(wú)紡布等特殊纖維結(jié)構(gòu)，也可顯著地提高負(fù)極材料的電化學(xué)性能。

NF-500高性能實(shí)驗(yàn)機(jī)