随着便携式电子产品和电动汽车的迅速发展，对锂离子电池等高功率能源密集型电池的需求急剧增加。电池材料、设计参数和生产规模是制约锂离子电池产业发展的重要因素。为了满足日益增长的能源需求，必须开发新的锂电池材料以提高锂电池的能量密度和安全性。目前大多数研究都集中在组装电池的性能上，对电池测试之外的材料选择和制备工艺仍需要进行研究审查。此外，静电纺丝技术用于锂离子电池的改进和产业化的介绍还比较少。
近日，青岛大学龙云泽教授和张俊副教授团队在期刊《Renewable and Sustainable Energy Reviews》上，发表了最新成果“Review on electrospinning anode and separators for lithium ion batteries”。青岛大学为论文第一署名单位，论文第一作者为物理学院博士生刘进华，通讯作者为龙云泽教授和张俊副教授。本文重点介绍了静电纺丝纳米材料在锂离子电池负极和隔膜方面应用的最新进展。此外，静电纺丝可以用于制备钠/钾离子电池和固态电池的材料。最后，对静电纺丝技术的商业化、电池产业化的前景以及锂离子电池和其他替代材料的未来发展进行了讨论。
锂离子电池负极材料包括锂金属负极、硅基材料、碳基材料、金属氧化物和金属硫化物。静电纺丝制备的负极材料能够增加复合材料的整体电导率，有效地减少体积膨胀以增强结构稳定性以及防止和电解质之间的直接接触。氧化物负极经历了从一元/二元金属氧化物到高熵氧化物的发展，得益于电纺碳纤维的优异柔韧性和自支撑特性，电纺负极材料也可直接用做电极而不需要黏合剂。
图1：用于制备不同形貌结构纤维的静电纺丝工艺和电纺氧化物负极材料。
隔膜是锂离子电池的重要部件，用于防止阳极和阴极之间的直接接触，从而有效地避免短路。与此同时，他们允许锂离子在阳极和阴极之间自由流动，完成充电和放电过程。市售隔膜材料由聚烯烃膜组成，具有低孔隙率（45- 50%）、差的电解质润湿性和低热稳定性的缺点，因此有必要设计既安全又具有良好电化学性能的新隔膜，以满足高性能锂离子电池的要求。
图2：静电纺PVDF/PI纳米纤维隔膜。
电纺纤维膜的优点在于隔膜具有高孔隙率、高比表面积和小的直径。电纺电池隔膜的研究包括聚合物隔膜、无机材料隔膜以及聚合物/无机材料复合隔膜。目前可通过多种方式提高隔膜的安全性能，如设计耐高温的隔膜、设计三明治结构达到热关效果、在纤维内部封装阻燃剂，以及有机无机材料混合隔膜，但目前仍缺乏一种隔膜材料能够将多个优点集于一身。
图3：电纺有机无机复合隔膜。
图4：静电纺丝中试车间。
经过多年的发展，静电纺丝技术逐渐成熟，实现了产业化突破。我们在传统静电纺丝技术的基础上开发了无溶剂静电纺丝技术（如紫外光辅助固化静电纺丝、热辅助固化无纺纺丝、阴离子辅助固化静电纺丝、气泡熔融静电纺丝、双组分固化静电纺丝），以及离心电纺、近场电纺、溶液吹纺和磁力静电纺丝等。由于电纺过程还存在一些不稳定不可控因素，电纺纤维表面有可能存在液滴等缺陷，有时还不能满足锂离子电池隔膜的高精度要求，且制造成本还相对较高，可拓展和连续制造能力也存在不足。本文最后对电纺负极和隔膜材料的发展、工业化生产的改进、电纺电极材料的回收与利用、其他碱金属离子电池以及电纺固态电解质等进行了展望。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.rser.2023.113939
人物简介：
龙云泽，青岛大学物理学院教授、副院长，生物多糖纤维成形与生态纺织国家重点实验室PI，山东省中法纳米纤维和光电器件合作研究中心主任，山东省高等学校静电纺丝功能微纳米纤维国际合作联合实验室主任，全国模范教师，教育部新世纪优秀人才，山东省泰山学者，山东省有突出贡献的中青年专家，山东省杰青，国际先进材料学会会士，俄罗斯自然科学院外籍院士。长期从事静电纺丝功能纳米纤维的制备以及在伤口敷料、能源催化材料、过滤分离、传感器等方面的应用。在Chem Soc Rev, Progress in Polymer Sci, Progress in Mater Sci, Nature Mater, Nature Commun, Adv Mater, ACS Nano, Nano Energy等发表论文420多篇（入选全球前2%顶尖科学家以及中国高被引学者榜单）；参编英文专著12本；授权国内专利130余项，国外专利6项，转让/许可专利15项。获山东省自然科学奖二等奖、北京市科学技术奖二等奖、国防科技创新大赛一等奖、中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖；承担国家重点研发计划、科技部973项目、国家自然科学基金等20余项。
张俊，青岛大学物理学院特聘教授，山东省中法纳米纤维和光电器件合作研究中心副主任，山东省高等学校静电纺丝功能微纳米纤维国际合作联合实验室副主任，青岛市纳米空滤技术专家工作站首席专家。2016年加入龙云泽教授课题组，主要研究静电纺丝装置的开发以及纳米纤维材料在光学、抗菌敷料、能源和催化材料等领域的应用。在Nano Energy, Materials Horizons, Chemical Engineering Journal, Small等发表论文70余篇；参编英文专著4本。研究成果曾被青岛日报社、新浪网等媒体报道。2020年荣获国防科技创新大赛一等奖，2023年荣获中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖。
