靜電紡絲技術(shù)在電池領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展,納米纖維技術(shù)已成為纖維科學(xué)的前沿和研究熱點(diǎn),并在生物醫(yī)學(xué)、過濾材料、復(fù)合增強(qiáng)材料、催化、食品工程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

在制備納米材料的各種方法中,靜電紡絲技術(shù)在過去數(shù)十年中開辟了低成本、簡(jiǎn)便、高效和可連續(xù)的納米纖維制造技術(shù)路線,引起了科研工作者的廣泛關(guān)注。本文介紹了靜電紡絲技術(shù)的基本原理、影響參數(shù)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(wú)針靜電紡絲）,并闡明了不同靜電紡絲技術(shù)種類的原理及特點(diǎn)。文章進(jìn)一步著重介紹了靜電紡絲和靜電噴霧技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及其在電池領(lǐng)域的前沿應(yīng)用,特別是在鋰離子電池、燃料電池、太陽(yáng)能電池及超級(jí)電容器的應(yīng)用,最后展望了靜電紡絲和靜電噴霧先進(jìn)制造技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)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(tǒng)方法截然不同。首先將聚合物溶液或熔體帶上幾千至上萬(wàn)伏高壓靜電，帶電的聚合物液滴在電場(chǎng)力的作用下在毛細(xì)管的Taylor錐頂點(diǎn)被加速。當(dāng)電場(chǎng)力足夠大時(shí)，聚合物液滴克服表面張力形成噴射細(xì)流。細(xì)流在噴射過程中溶劑蒸發(fā)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(gè)電場(chǎng)當(dāng)中，因此，當(dāng)射流從毛細(xì)管末端向接收裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)加速現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了射流在電場(chǎng)中的拉伸。

在電子材料領(lǐng)域，納米纖維有望用于以下應(yīng)用：
?高效率太陽(yáng)能電池以及分離器、燃料電池和蓄電池。
?顯示器用透明導(dǎo)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(lái)，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(shí)例頻頻出現(xiàn)。

靜電紡絲系統(tǒng)，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(dāng)電吸引超過聚合物溶液的表面張力時(shí)，聚合物溶液噴射器將注向收集器。射流中的溶劑逐漸揮發(fā)，當(dāng)?shù)竭_(dá)收集器時(shí)，射流將降低到納米級(jí)。

紡制出的納米纖維會(huì)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(jí)纖維膜會(huì)大很多。

圖2

因此，納米纖維通過化學(xué)或物理改性獲得了未有的特性，并有望在各個(gè)領(lǐng)域得到新的應(yīng)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(shù)來(lái)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。