2.3　靜電紡絲技術(shù)在鋰離子電池領(lǐng)域中的應(yīng)用

由于納米材料的孔體積和比表面積都比較大，在大電流充放電下表現(xiàn)出鋰離子脫嵌深度小、極化程度小、循環(huán)穩(wěn)定性好、可逆性能高等諸多優(yōu)點(diǎn)，用其作為鋰離子電池電極的研究較為活躍。為了獲得具有以上結(jié)構(gòu)的電極材料，選擇合適的制備方法就顯得尤為重要。目前，常見的制備鋰離子電池電極材料的方法主要有溶膠-凝膠法和水熱合成法，以及熱蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積、高溫分解等方法。在眾多方法中，靜電紡絲技術(shù)是近年來發(fā)展起來的制備一維微納米材料的重要方法。

近年來，靜電紡絲技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于制備鋰離子電池電極材料。靜電紡絲技術(shù)制備的一維無機(jī)材料在鋰離子電池領(lǐng)域的應(yīng)用還具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢。首先，由于靜電紡絲法制備的納米纖維的直徑較小，鋰離子在納米纖維中的嵌入深度淺、擴(kuò)散路徑短，有利于鋰離子在材料中的快速脫嵌。其次，納米纖維具有較大的比表面積，這樣有助于減小電極在電化學(xué)反應(yīng)過程中的極化現(xiàn)象以及增加電極與電解液之間的接觸，有利于鋰離子的傳輸。最后，靜電紡制備的納米纖維在纖維軸向方向上有很多表面缺陷或晶格缺陷，可以為鋰離子提供更多的反應(yīng)位點(diǎn)，而提高材料的儲(chǔ)鋰性能。因此，近年來越來越多的研究者關(guān)注靜電紡絲法制備的納米纖維在鋰離子電池方面的應(yīng)用。

需要說明的是，靜電紡絲技術(shù)制備無機(jī)納米纖維主要利用的是含有聚合物（如聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈等）的紡絲前驅(qū)溶液，這就需要將得到的無紡布薄膜進(jìn)一步高溫處理，以便獲得無機(jī)納米纖維。如果選擇在空氣中高溫煅燒，聚合物分解形成的氣體會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，從而導(dǎo)致多孔或者中空納米管的形成。如果選擇在惰性氣體中高溫煅燒，聚合物分解碳化會(huì)形成含有無機(jī)化合物分散在導(dǎo)電基體中的復(fù)合材料。雖然進(jìn)一步高溫處理增加了整個(gè)工藝的復(fù)雜性，但是高溫煅燒也促使靜電紡絲技術(shù)制備的無機(jī)材料具有靈活性、可控性，最重要的是具有多功能性。更有利于將制備的一維無機(jī)材料應(yīng)用于鋰離子電池。

自從靜電紡絲技術(shù)被應(yīng)用于制備鋰離子電池電極材料以來，其發(fā)展大致可分為3個(gè)方面的研究。

①利用靜電紡絲技術(shù)制備一維無機(jī)化合物電極材料　這類材料主要是將得到的含有金屬鹽和聚合物的無紡布纖維薄膜直接在空氣中高溫煅燒，除去聚合物和促使無機(jī)物形成得到。同時(shí)，通過控制前驅(qū)液的組成、含量和煅燒的溫度還可以得到具有特殊形貌的一維無機(jī)化合物電極材料，如納米管、納米帶等。這類電極材料由于具有多孔或中空的一維納米結(jié)構(gòu)，可以大大提高電極材料的循環(huán)穩(wěn)定性。例如，Mai等[39]利用靜電紡絲技術(shù)和隨后的熱處理過程制備了超長的次級V2O5納米線鋰離子電池正極材料。與水熱方法制備的較短的納米棒相比，這種超長的納米線展現(xiàn)出較高的容量。實(shí)際上，超長的次級納米線是由短的納米棒組成的，這就極大地減少了電極材料出現(xiàn)自聚集現(xiàn)象，更有利于保持活性物質(zhì)，導(dǎo)電劑和電解液的有效接觸面積，所以其電化學(xué)性能更加優(yōu)異（圖2-7）。

圖2-7　次級V2O5納米線的制備及電池性能

②利用靜電紡絲技術(shù)制備一維無機(jī)化合物/碳復(fù)合電極材料　這類材料主要是將得到的含有金屬鹽和聚合物的無紡布纖維薄膜在惰性氣體中高溫煅燒，促使聚合物分解碳化形成碳纖維而得到的。通過控制前驅(qū)液的種類、組成和含量，可以獲得碳包覆無機(jī)化合物的核殼結(jié)構(gòu)。這類電極材料由于具有導(dǎo)電的碳纖維包覆，不僅提高了材料的導(dǎo)電性能，而且對無機(jī)化合物起了緩沖和保護(hù)的作用，從而提高了電極材料的循環(huán)壽命和倍率性能。例如，Yu等[40，41]先后利用單軸和同軸電紡技術(shù)制備了包覆錫納米粒子的多孔、多通道的碳納米管[圖2-8（a）～（c）]和竹節(jié)狀結(jié)構(gòu)的中空碳纖維[圖2-8（e）～（g）]。這種多孔、中空的碳層不僅可以提供足夠的空間來容納錫納米粒子在充放電過程中的體積改變，而且可以維持錫納米粒子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，避免被氧化。因此，在作為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的性能[圖2-8（d）、（h）]。

圖2-8　無機(jī)化合物/碳復(fù)合材料的制備及電池性能

③利用靜電紡絲技術(shù)制備無機(jī)化合物/碳柔性復(fù)合電極材料（圖2-9）　研究者利用特定聚合物高溫分解碳化后可以得到柔性薄膜的特性，制備不需要集流體和黏結(jié)劑的自支撐的電極材料。此類電極材料不僅減少了電極制備過程中的繁瑣過程，而且不需要使用集流體和黏結(jié)劑，大大減少了鋰離子電池制備的成本。例如，Li等[42]將鍺納米粒子封裝到柔性碳纖維內(nèi)，并將其作為自支撐的一體化電極。當(dāng)測試其作為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)，該電極表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。此外，自支撐的一體化電極可以大大節(jié)省制備的成本，必將成為未來的研究的熱點(diǎn)。

圖2-9　無機(jī)化合物/碳柔性復(fù)合電極材料及電池性能

當(dāng)然，這3個(gè)方面的研究相互交融，并沒有明顯的時(shí)間界限。不論哪種結(jié)構(gòu)，構(gòu)筑具有以上特點(diǎn)的一維納米材料對改善鋰離子電池性能都具有極其重要的實(shí)際意義。一維納米材料在鋰離子電池電極材料的應(yīng)用越來越被科研人員所重視，將會(huì)成為未來鋰離子負(fù)極材料研究領(lǐng)域中最有前途的研究方向之一。