靜電紡絲技術在柔性鈉離子電池應用中的挑戰和未來研究方向

靜電紡絲作為一種獨特的、通用的方法，普遍用于生產聚合物、金屬、陶瓷和復合材料等一維纖維材料。這些纖維在鈉離子電池中廣泛應用，可以作為電極、電解液或隔膜。此外，靜電紡纖維可以很容易地織成薄膜，作為柔性電池的理想組件。

鑒于此，蘇州大學李亮教授團隊綜述了靜電紡絲技術在柔性鈉離子電池器件制備中的主要優點和進展，并討論了其在實際應用中面臨的主要挑戰。針對該領域取得的進展，提出了關于靜電紡絲的幾個研究方向。希望這項工作能夠為未來的研究激發新的想法。相關研究成果以“Electrospinning for Flexible Sodium-Ion Batteries”為題目發表于期刊《Energy Storage Materials》上。

1 柔性電池

柔性電池的開發具有重量輕、便于攜帶、易于彎曲、滾動和折疊等特點，是一個快速發展的研究領域。為下一代可穿戴和便攜式電子產品提供電源。為了構建柔性電池，應系統地考慮幾個關鍵因素，例如電極配置、電解質選擇、電池設計、電化學性能、安全性和維護。

圖1 柔性電池的設計與組裝原理圖。

2 靜電紡材料用于柔性鈉離子電池的研究進展

靜電紡絲是制備鈉電池多組分(如正極、負極、電解液、隔膜等)纖維材料的一種有效方法。靜電紡納米纖維具有較大的電荷轉移反應表面和豐富的電解液離子通道，大大降低了反應阻抗。

納米纖維為電子傳輸提供了連續的高速通道，從而最大限度地減少了在其他材料配置中遇到的粒子間阻力。此外，纖維中的離子擴散長度也大大縮短，這是設計高功率電池的關鍵（圖2）。因此，基于靜電紡絲纖維的薄膜和纖維墊在柔性鈉電池中得到了廣泛的應用。

圖 2. 用于柔性 SIB 的電紡纖維的主要優勢。

圖3靜電紡纖維在插層負極材料中的應用。

圖4 靜電紡纖維在轉化型負極材料中的應用。

圖5 靜電紡纖維在合金負極材料中的應用。

圖6 靜電紡纖維在正極材料中的應用。

3 當前靜電紡柔性電池的挑戰

盡管正在取得進展，但它在柔性SIB中的大規模應用尚未到來。目前還沒有基于這種技術的商業電池工廠。原因主要是技術上的，如圖7所示。

圖7 靜電紡絲柔性SIB的挑戰與發展方向。

4.1 柔性電極的制備

主要的挑戰可能是靜電紡絲產品的質量和可靠性差，這嚴重損害了它們在實踐中的潛力。靜電紡絲過程中有幾個不確定性因素影響納米纖維的質量和可靠性，其中液滴的形成是最常見的不確定性因素。表面張力和粘彈性力的相互作用影響最終納米纖維的可靠性，對這種相互作用的全面了解對質量控制至關重要。

4.2 能源動力提升

簡單地增加操作時間以增加薄膜厚度和負載一般是行不通的。這是因為拉長操作涉及到最佳的前驅體溶液和靜電紡絲參數，如電壓、流量和噴絲頭與收集器之間的距離。此外，厚膜往往缺乏柔韌性和機械強度。因此，增加纖維的負荷量是滿足鈉電極需求的先決條件。

4.3 電池彎曲性能

目前，電紡纖維的柔韌性遠未達到商品化的要求。彎曲超過 180 度時性能優異的 SBC 很少。電紡纖維具有高彈性，可從收集器上分離，但由于失去柔性組件，在退火后變脆。為了獲得柔性鈉電極，退火纖維的脆性將成為關注的焦點，并且熱加熱過程肯定需要進一步優化。

4.4安全問題

安全性將是涉及靜電紡絲和靜電紡絲電池材料的問題之一。靜電紡絲主要取決于制備前驅體溶液時使用的是有毒或腐蝕性有機溶劑。如何實現對環境無害的靜電紡絲仍是一個開放性的挑戰。

此外，由于納米纖維直徑小、長度短，工人和用戶必須避免吸入潛在的有毒納米纖維。在這方面，可能需要使用生物來源的可生物降解和可回收材料，以盡量減少靜電紡納米纖維對環境和人類健康的影響。在實踐中，可能有必要將納米纖維集成到產品中，以便在產品的使用或回收期間，不會被釋放到大氣中。

5 總結與展望

5.1 電池設計優化

為了滿足未來電子設備的可穿戴性，基于電纜、紗線和管狀的柔性電池似乎比袋式電池更有前途。因此，有必要開發具有機械柔韌性、可伸縮性和安全性的合適的包裝材料來適應這種電池。

另一方面，從液體電解質到固體聚合物電解質的轉變可以解決一系列問題，例如漏液、電極腐蝕和材料溶解。因此，電紡電解質的研究需要進一步加強，以提高其在柔性電池應用中的實用性。

5.2電池性能進一步提升

柔性SIBs的能量和功率密度仍然落后于商業LIBs。要獲得更高的能量，使用高容量電極材料將是關鍵點。有機電極材料因其合成過程溫和、成本低、資源豐富、理論能力強等特點，有望得到越來越多的關注。超細纖維對于構建高功率鈉離子電池至關重要，對基礎研究和工業部署都很重要。此外，除了重量容量外，還應考慮電極的體積和面積容量以適應柔性設備的尺寸要求。此外，電紡鈉金屬電池和鈉硫電池也將是未來的研究方向。

5.3 對電化學過程的深入理解

電化學充放電是一個多階段的過程，受多種因素的影響。深入了解這個過程是其設計和優化的先決條件。在這方面，原位光學和顯微技術為固體電解質界面的形成和電極結構的演變提供了有價值的見解。此外，理論建模和模擬為理解電化學過程提供了更好的圖像。為了加速可穿戴電子產品的發展，全面了解柔性電池的機械和電化學行為具有重要意義。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.12.022