靜電紡絲技術在電池領域的應用進展

發布日期：2022-09-20      瀏覽次數：1885

靜電紡絲技術在電池領域的應用進展

隨著納米技術的飛速發展,納米纖維技術已成為纖維科學的前沿和研究熱點,并在生物醫學、過濾材料、復合增強材料、催化、食品工程等領域得到了廣泛應用。

在制備納米材料的各種方法中,靜電紡絲技術在過去數十年中開辟了低成本、簡便、高效和可連續的納米纖維制造技術路線,引起了科研工作者的廣泛關注。本文介紹了靜電紡絲技術的基本原理、影響參數及種類（溶液靜電紡絲、熔融靜電紡絲、氣流靜電紡絲、乳液靜電紡絲、同軸靜電紡絲、多噴嘴靜電紡絲和無針靜電紡絲）,并闡明了不同靜電紡絲技術種類的原理及特點。文章進一步著重介紹了靜電紡絲和靜電噴霧技術的優勢及其在電池領域的前沿應用,特別是在鋰離子電池、燃料電池、太陽能電池及超級電容器的應用,最后展望了靜電紡絲和靜電噴霧先進制造技術面臨的挑戰和發展前景。 

靜電紡絲基本原理

　　靜電紡絲法即聚合物噴射靜電拉伸紡絲法，與傳統方法截然不同。首先將聚合物溶液或熔體帶上幾千至上萬伏高壓靜電，帶電的聚合物液滴在電場力的作用下在毛細管的Taylor錐頂點被加速。當電場力足夠大時，聚合物液滴克服表面張力形成噴射細流。細流在噴射過程中溶劑蒸發或固化，最終落在接收裝置上，形成類似非織造布狀的纖維氈。在靜電紡絲過程中，液滴通常具有一定的靜電壓并處于一個電場當中，因此，當射流從毛細管末端向接收裝置運動時，都會出現加速現象，從而導致了射流在電場中的拉伸。

在電子材料領域，納米纖維有望用于以下應用：
?高效率太陽能電池以及分離器、燃料電池和蓄電池。
?顯示器用透明導電濾波器（電極）；觸摸板和功能玻璃。

靜電紡絲法通常使用材料溶解于溶劑中的溶液作為紡絲材料。

近年來，氧化鋁、氧化鋯、鈦氧化物、鋯鈦酸鉛等陶瓷納米纖維的紡絲實例頻頻出現。

靜電紡絲系統，如圖1所示，由高壓電源、聚合物溶液、注射器、噴頭和接地收集器組成。聚合物溶液將以恒定的速度從注射器中推出至噴頭上。

在噴頭上施加20kv至40kv的高壓，當電吸引超過聚合物溶液的表面張力時，聚合物溶液噴射器將注向收集器。射流中的溶劑逐漸揮發，當到達收集器時，射流將降低到納米級。


紡制出的納米纖維會形成如圖2所示的膜。

纖維的取向性取決于收集器。            

納米纖維膜的單位體積的總表面積比微米級纖維膜會大很多。




圖2





因此，納米纖維通過化學或物理改性獲得了未有的特性，并有望在各個領域得到新的應用。

如圖3所示，即使用同一種聚合物紡絲，也可以通過改變紡絲參數來制備不同形狀的纖維，如表面光滑的纖維、珠狀纖維和多孔纖維等。