전기방사 기술은 장비가 간단하고 조작이 간단하며 생산 효율이 상대적으로 높다는 장점이 있어 나노섬유 제조에 널리 사용됩니다. 전기방사 기술로 제조된 나노섬유는 비표면적이 넓고 부드러워 촉매, 환경 보호, 소음 흡수, 전자, 의료 및 리튬 이온 배터리 등에 널리 사용됩니다.
목차
전기방사 기술의 원리
아래 그림과 같이 정전기 방사에 필요한 장비에는 고전압 전원 공급 장치, 수집 장치, 용액 저장 장치 및 주입 장치가 포함됩니다. 원리는 고전압 전원 공급 장치를 사용하여 용액과 수집 장치 사이에 전압 차이를 형성하여 용액이 액체의 표면 장력을 극복하고 테일러 콘을 형성하는 것입니다.
언제 리튬 이온 배터리 전압 가 일정 값을 초과하면 테일러 원뿔의 끝에서 액체가 분사됩니다. 분사된 액체는 전기장의 힘의 방향을 따라 늘어나고 용매에 의해 냉각 및 휘발되어 최종적으로 수집 장치에 나노 섬유를 형성합니다. 정상적인 상황에서 정전기 방사에 필요한 전압은 수천 볼트에서 수만 볼트입니다.
전기방사 기술의 원리
전기방사 기술에 영향을 미치는 요인
전기방사 기술의 적용은 일련의 공정 매개 변수의 영향을 받으며, 공정 매개 변수의 미묘한 변화는 나노 섬유의 형태, 구조 및 특성에도 일정한 영향을 미칩니다. 주요 영향은 네 가지 범주로 나뉩니다:
점탄성, 전도도, 표면 장력 등을 포함한 용액 특성.
전압, 방적기 바늘과 수집 장치 사이의 거리, 액체 추진 속도 등의 전기방사 파라미터를 설정합니다.
온도, 공기 습도 등과 같은 환경 매개변수
수집 방법.
용액의 특성, 전기 방사 매개 변수 및 환경 매개 변수는 용매의 휘발 속도 및 시간, 전기장 힘의 크기, 섬유의 분할 및 경화에 영향을 미쳐 섬유 직경의 크기와 균일성에 영향을 미칩니다. 수집 방법은 섬유의 방향과 모양에 영향을 미칩니다.
최근에는 전기방사 기술로 제조된 다양하고 독특한 구조의 나노섬유가 널리 사용되고 있습니다. 리튬 배터리 산업. 전기방사 기술은 리튬 배터리의 세 가지 핵심 재료인 양극재, 음극재, 분리막을 만드는 데 사용할 수 있습니다.
전기방사 기술 응용 분야 - 음극재
음극은 리튬 이온 배터리의 주요 리튬 이온(Li+) 공여체이며 리튬 이온의 전달 속도에 영향을 미치는 핵심 요소이기도 합니다. 안전하고 경제적이며 고성능, 고용량의 리튬 이온 배터리 개발 음극 재료 는 리튬 이온 배터리의 적용을 효과적으로 촉진할 수 있습니다.
현재 상용 양극 소재(예: LiFePO4)의 비방전 용량은 일반적으로 200mAh/g 미만이며, 이는 리튬 이온 배터리의 고에너지 밀도 및 저비용에 대한 수요 증가를 제한하는 병목 현상 중 하나입니다. 양극재의 전기화학적 특성을 개선하기 위한 다양한 방법 중 나노 코팅과 전기방사 기술에 의한 나노 구조 형태 제어가 효과적인 방법으로 입증되었습니다.
연구진은 고전압 전기방사 기술과 열처리를 통해 꽃 모양의 Li1.2Ni0.17Co0.17Mn0.5O2 양극 물질을 합성하는 데 성공했습니다. 이 질서 정연한 다공성 꽃 모양의 형태는 리튬 이온의 빠른 확산을 촉진할 수 있으며, 조립된 배터리는 최대 235mAh/g의 주기적 방전 용량을 가질 수 있습니다.
간단하고 실현 가능한 합성 방법인 전기방사는 리튬 이온 배터리의 음극을 이상적인 구조로 설계하는 효과적인 방법을 제공합니다.
일부 연구자들은 '전기방사 기술 및 후속 어닐링 처리' 전략을 통해 형태 제어가 가능한 바나듐 오산화물(V2O5) 나노 구조(다공성 V2O5 나노 튜브, 적층 V2O5 나노 섬유 및 단결정 V2O5 나노 리본 등)를 합성하여 리튬 이온 배터리의 고성능 음극 소재로 사용되며 높은 가역 용량과 우수한 사이클 성능을 보여주고 있습니다.
다공성 V2O5 나노튜브는 40.2kW/kg의 전력 밀도와 201Wh/kg의 에너지 밀도를 가지고 있습니다. 또한 전이 금속 원소를 도핑하면 전극 활성 물질의 성능을 개선하여 리튬 이온 배터리의 전기 화학적 성능을 향상시킬 수 있습니다.
또한 연구진은 전기방사와 열처리를 결합하여 Li2Mn0.8Fe0.2SiO4/ 탄소 복합 나노섬유를 제조했습니다. 철 도핑은 전극 재료의 전도도와 순도를 향상시키고 탄소 나노 섬유 매트릭스는 이온 전달 및 전하 확산을 촉진하는 것으로 나타났습니다. 이 소재는 리튬 이온 배터리의 음극으로 사용될 때 우수한 가역 용량과 우수한 사이클링 성능을 보여줍니다.
전기방사 기술 응용 - 음극 재료
최근 몇 년 동안 단순 탄소 기반 음극재의 낮은 에너지 이용률로 인해 리튬 이온 배터리 음극 정전기 방적/정전기 스프레이 코팅 실크 필름 기술의 도움으로 구조 설계가 더욱 복잡하고 세밀해졌으며, 관련 병목 현상을 극복할 수 있게 되었습니다.
예를 들어, 리튬 이온 배터리의 이산화티타늄/탄소 기반(TiO2/C) 음극의 낮은 용량 활용도와 낮은 사이클링 성능 문제를 해결하기 위해 연구진은 전기방사, 열처리 및 탄화 공정을 통해 수지상 TiO2@메조다공성 탄소 나노섬유(TiO2@MCNF)를 제조했습니다(아래 그림 참조).
백본 지지체로서 수지상 TiO2@MCNF 복합 재료는 많은 수의 노출된 나노 티오2 격자를 가지고 있어 리튬 이온 수송을 위한 고유한 결정 채널을 제공할 수 있습니다. 직조된 탄소 나노섬유 골격은 높은 구조적 무결성과 기계적 유연성을 가지고 있습니다. 음극 소재인 덴드리틱 TiO2@MCNF는 초기 방전 용량(1932mAh/g)과 우수한 사이클링 성능(100사이클 후 가역 용량 617mAh/g)이 뛰어납니다.
수지상 탄소 매트릭스 복합체의 독특한 구조와 우수한 전기화학적 특성은 이종 원자 질소, 황, 인 및 붕소가 도핑된 실용적인 전기방사 탄소 나노섬유 음극 재료 개발에 새로운 아이디어를 제공합니다. 예를 들어, 실리콘 나노입자로 개질된 질소 도핑 탄소 나노섬유(W-Si@N-CNF)와 개방 채널을 갖는 질소 도핑 탄소 나노섬유(N-CNFO)를 전기방사를 통해 제조했습니다.
수지상 TiO2@MCNF의 준비
이론적으로 높은 비용량을 가진 금속 산화물 재료도 유망한 음극 재료로 간주됩니다. 전이 금속 나노 입자를 사용하여 표면 전기 화학 반응성을 개선하면 배터리 성능을 더욱 향상시키는 데 도움이 됩니다. 예를 들어 산화철(Fe2O3)-탄소 섬유 복합재, 산화망간(MnO)-탄소 섬유 복합재, 고전도성 티타늄 질화물(TiN)/TiOxNy 층으로 코팅된 Li4Ti5O12 나노 섬유 등이 있습니다.
또한 전기방사로 제조된 중공 니켈 산화물(NiO) 나노 섬유와 동축 전기방사로 제조된 코어-쉘 실리콘/탄소 베이스(Si/C) @CNF 부직포와 같은 특수 섬유 구조도 음극재의 전기화학적 특성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
전기방사 기술 응용 분야 - 분리기
전기방사 나노섬유 멤브레인(단층, 다층, 복합 및 개질)은 다공성 구조, 높은 다공성 및 넓은 비표면적의 특성을 가지고 있으며 이온 수송 효율을 향상시키기 위한 세포막의 이상적인 후보 물질입니다. 종합적인 특성이 우수한 특수 기능성 폴리머인 폴리이미드(PI)는 전기방사 나노섬유 멤브레인으로 개발되었습니다.
연구진은 전기방사/열가교 공정을 통해 높은 기계적 강도(31.7MPa)와 작은 평균 기공 크기, 좁은 기공 크기 분포로 리튬 수상돌기의 성장과 침투를 막는 데 우수한 성능을 보이는 견고한 불소화 폴리이미드(FPI) 나노섬유 필름을 제조해 안전하고 신뢰할 수 있는 리튬 이온 배터리로 조립할 수 있게 되었습니다.
서로 다른 섬유 층의 장점을 결합하여 회전 순서를 조정하여 다층 구조의 나노 섬유 막을 제조 할 수 있으며 다층 분리기로서 기계적 강도, 열 안정성 및 전기 화학적 성능 측면에서보다 우수한 성능을 얻을 수 있습니다.
일부 연구진은 순차적 전기방사 기술을 통해 강력한 기계적 강도(인장강도 최대 13.96MPa)와 열 안정성을 갖춘 새로운 샌드위치 구조의 PVDF/폴리-페닐렌 이소프탈아미드(PMIA)/PVDF 나노섬유 배터리 분리막을 제작했습니다.
전기방사 용액에 두 개 이상의 유기 폴리머 또는 무기 충전제를 첨가하여 복합 나노섬유 막을 제조하는 것도 분리막의 성능을 개선하는 효과적인 방법입니다.
서로 다른 폴리머 또는 무기 충전제는 단일 폴리머 전구체와 비교하여 물리 화학적 특성 및 전기 화학적 특성이 다르기 때문에 여러 폴리머 재료를 포함하는 복합 막의 종합적인 성능이 향상됩니다.
예를 들어, 연구진은 전기방사를 통해 리그닌/폴리아크릴로니트릴 복합 섬유막(L-PAN)을 제조했습니다. L-PAN의 높은 다공성(74%)과 우수한 전해질 습윤성 덕분에 조립된 배터리는 우수한 속도 성능과 사이클 성능을 보여주었습니다. L-PAN은 제조 비용이 저렴하고 공정이 간단하기 때문에 리튬 이온 배터리 분리막의 이상적인 후보 물질로 사용될 수 있습니다.
PVDF-HFP-PDA 복합 멤브레인 제조
전기 방사 멤브레인의 기계적 및 전기 화학적 특성을 더욱 향상시키기 위해, 또 다른 효과적인 방법은 전기 방사 멤브레인을 후처리(화학 구조 또는 표면 형태 수정 포함)하여 우수한 종합 특성을 가진 수정된 분리기를 얻는 것입니다. 연구진은 전기방사 및 딥 코팅 방식으로 PVDF-HFP 나노섬유 표면에 폴리도파민(PDA) 기능성 층을 얇게 개질하고 성장시켜 고안전성 개질 분리막 역할을 하는 독특한 코어-쉘 구조(위 그림 참조)를 형성했습니다.
사이클 안정성과 속도 성능 및 전체 반응 과정은 환경 친화적인 수용액에서 수행되므로 대형 리튬 이온 배터리의 안전한 사용 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
요약
전기방사 기술은 20세기 말부터 전 세계적으로 서서히 연구되고 적용된 신기술로, 리튬 이온 배터리 분야에서 전기방사 기술의 적용이 점차 시작되었습니다.
고 에너지 볼 밀링 및 기상 증착과 같은 여러 기술에 비해 전기 방사 기술은 간단한 원리, 편리한 작동 및 낮은 준비 비용의 장점을 가지고 있으며 점차적으로 일반적으로 사용되는 방법 중 하나가되었습니다. 배터리 재료 건설.
그러나 상용 애플리케이션에서 이 기술은 대량 생산 문제, 나노 구조의 정밀한 제어 방법 등 여전히 많은 과제를 안고 있어 추가적인 최적화와 개선이 필요한 상황입니다.
Hailey
안녕하세요, 저는 물리학 석사 학위를 취득한 후 리튬 배터리 산업에 전념하고 리튬 배터리 엔지니어들과 함께 다양한 리튬 배터리 설계 및 제조 프로젝트를 완료했습니다. 4년 이상 리튬 배터리 엔지니어로서 쌓은 전자 지식을 바탕으로 현재는 주로 리튬 배터리에 대한 콘텐츠 작성을 담당하고 있으며 저의 견해를 여러분과 공유하고 싶습니다.
전기방사 기술 - 리튬 이온 배터리에의 적용
전기방사 기술의 원리
아래 그림과 같이 정전기 방사에 필요한 장비에는 고전압 전원 공급 장치, 수집 장치, 용액 저장 장치 및 주입 장치가 포함됩니다. 원리는 고전압 전원 공급 장치를 사용하여 용액과 수집 장치 사이에 전압 차이를 형성하여 용액이 액체의 표면 장력을 극복하고 테일러 콘을 형성하는 것입니다.
언제 리튬 이온 배터리 전압 가 일정 값을 초과하면 테일러 원뿔의 끝에서 액체가 분사됩니다. 분사된 액체는 전기장의 힘의 방향을 따라 늘어나고 용매에 의해 냉각 및 휘발되어 최종적으로 수집 장치에 나노 섬유를 형성합니다. 정상적인 상황에서 정전기 방사에 필요한 전압은 수천 볼트에서 수만 볼트입니다.
전기방사 기술에 영향을 미치는 요인
전기방사 기술의 적용은 일련의 공정 매개 변수의 영향을 받으며, 공정 매개 변수의 미묘한 변화는 나노 섬유의 형태, 구조 및 특성에도 일정한 영향을 미칩니다. 주요 영향은 네 가지 범주로 나뉩니다:
용액의 특성, 전기 방사 매개 변수 및 환경 매개 변수는 용매의 휘발 속도 및 시간, 전기장 힘의 크기, 섬유의 분할 및 경화에 영향을 미쳐 섬유 직경의 크기와 균일성에 영향을 미칩니다. 수집 방법은 섬유의 방향과 모양에 영향을 미칩니다.
최근에는 전기방사 기술로 제조된 다양하고 독특한 구조의 나노섬유가 널리 사용되고 있습니다. 리튬 배터리 산업. 전기방사 기술은 리튬 배터리의 세 가지 핵심 재료인 양극재, 음극재, 분리막을 만드는 데 사용할 수 있습니다.
전기방사 기술 응용 분야 - 음극재
음극은 리튬 이온 배터리의 주요 리튬 이온(Li+) 공여체이며 리튬 이온의 전달 속도에 영향을 미치는 핵심 요소이기도 합니다. 안전하고 경제적이며 고성능, 고용량의 리튬 이온 배터리 개발 음극 재료 는 리튬 이온 배터리의 적용을 효과적으로 촉진할 수 있습니다.
현재 상용 양극 소재(예: LiFePO4)의 비방전 용량은 일반적으로 200mAh/g 미만이며, 이는 리튬 이온 배터리의 고에너지 밀도 및 저비용에 대한 수요 증가를 제한하는 병목 현상 중 하나입니다. 양극재의 전기화학적 특성을 개선하기 위한 다양한 방법 중 나노 코팅과 전기방사 기술에 의한 나노 구조 형태 제어가 효과적인 방법으로 입증되었습니다.
연구진은 고전압 전기방사 기술과 열처리를 통해 꽃 모양의 Li1.2Ni0.17Co0.17Mn0.5O2 양극 물질을 합성하는 데 성공했습니다. 이 질서 정연한 다공성 꽃 모양의 형태는 리튬 이온의 빠른 확산을 촉진할 수 있으며, 조립된 배터리는 최대 235mAh/g의 주기적 방전 용량을 가질 수 있습니다.
간단하고 실현 가능한 합성 방법인 전기방사는 리튬 이온 배터리의 음극을 이상적인 구조로 설계하는 효과적인 방법을 제공합니다.
일부 연구자들은 '전기방사 기술 및 후속 어닐링 처리' 전략을 통해 형태 제어가 가능한 바나듐 오산화물(V2O5) 나노 구조(다공성 V2O5 나노 튜브, 적층 V2O5 나노 섬유 및 단결정 V2O5 나노 리본 등)를 합성하여 리튬 이온 배터리의 고성능 음극 소재로 사용되며 높은 가역 용량과 우수한 사이클 성능을 보여주고 있습니다.
다공성 V2O5 나노튜브는 40.2kW/kg의 전력 밀도와 201Wh/kg의 에너지 밀도를 가지고 있습니다. 또한 전이 금속 원소를 도핑하면 전극 활성 물질의 성능을 개선하여 리튬 이온 배터리의 전기 화학적 성능을 향상시킬 수 있습니다.
또한 연구진은 전기방사와 열처리를 결합하여 Li2Mn0.8Fe0.2SiO4/ 탄소 복합 나노섬유를 제조했습니다. 철 도핑은 전극 재료의 전도도와 순도를 향상시키고 탄소 나노 섬유 매트릭스는 이온 전달 및 전하 확산을 촉진하는 것으로 나타났습니다. 이 소재는 리튬 이온 배터리의 음극으로 사용될 때 우수한 가역 용량과 우수한 사이클링 성능을 보여줍니다.
전기방사 기술 응용 - 음극 재료
최근 몇 년 동안 단순 탄소 기반 음극재의 낮은 에너지 이용률로 인해 리튬 이온 배터리 음극 정전기 방적/정전기 스프레이 코팅 실크 필름 기술의 도움으로 구조 설계가 더욱 복잡하고 세밀해졌으며, 관련 병목 현상을 극복할 수 있게 되었습니다.
예를 들어, 리튬 이온 배터리의 이산화티타늄/탄소 기반(TiO2/C) 음극의 낮은 용량 활용도와 낮은 사이클링 성능 문제를 해결하기 위해 연구진은 전기방사, 열처리 및 탄화 공정을 통해 수지상 TiO2@메조다공성 탄소 나노섬유(TiO2@MCNF)를 제조했습니다(아래 그림 참조).
백본 지지체로서 수지상 TiO2@MCNF 복합 재료는 많은 수의 노출된 나노 티오2 격자를 가지고 있어 리튬 이온 수송을 위한 고유한 결정 채널을 제공할 수 있습니다. 직조된 탄소 나노섬유 골격은 높은 구조적 무결성과 기계적 유연성을 가지고 있습니다. 음극 소재인 덴드리틱 TiO2@MCNF는 초기 방전 용량(1932mAh/g)과 우수한 사이클링 성능(100사이클 후 가역 용량 617mAh/g)이 뛰어납니다.
수지상 탄소 매트릭스 복합체의 독특한 구조와 우수한 전기화학적 특성은 이종 원자 질소, 황, 인 및 붕소가 도핑된 실용적인 전기방사 탄소 나노섬유 음극 재료 개발에 새로운 아이디어를 제공합니다. 예를 들어, 실리콘 나노입자로 개질된 질소 도핑 탄소 나노섬유(W-Si@N-CNF)와 개방 채널을 갖는 질소 도핑 탄소 나노섬유(N-CNFO)를 전기방사를 통해 제조했습니다.
이론적으로 높은 비용량을 가진 금속 산화물 재료도 유망한 음극 재료로 간주됩니다. 전이 금속 나노 입자를 사용하여 표면 전기 화학 반응성을 개선하면 배터리 성능을 더욱 향상시키는 데 도움이 됩니다. 예를 들어 산화철(Fe2O3)-탄소 섬유 복합재, 산화망간(MnO)-탄소 섬유 복합재, 고전도성 티타늄 질화물(TiN)/TiOxNy 층으로 코팅된 Li4Ti5O12 나노 섬유 등이 있습니다.
또한 전기방사로 제조된 중공 니켈 산화물(NiO) 나노 섬유와 동축 전기방사로 제조된 코어-쉘 실리콘/탄소 베이스(Si/C) @CNF 부직포와 같은 특수 섬유 구조도 음극재의 전기화학적 특성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
전기방사 기술 응용 분야 - 분리기
전기방사 나노섬유 멤브레인(단층, 다층, 복합 및 개질)은 다공성 구조, 높은 다공성 및 넓은 비표면적의 특성을 가지고 있으며 이온 수송 효율을 향상시키기 위한 세포막의 이상적인 후보 물질입니다. 종합적인 특성이 우수한 특수 기능성 폴리머인 폴리이미드(PI)는 전기방사 나노섬유 멤브레인으로 개발되었습니다.
연구진은 전기방사/열가교 공정을 통해 높은 기계적 강도(31.7MPa)와 작은 평균 기공 크기, 좁은 기공 크기 분포로 리튬 수상돌기의 성장과 침투를 막는 데 우수한 성능을 보이는 견고한 불소화 폴리이미드(FPI) 나노섬유 필름을 제조해 안전하고 신뢰할 수 있는 리튬 이온 배터리로 조립할 수 있게 되었습니다.
서로 다른 섬유 층의 장점을 결합하여 회전 순서를 조정하여 다층 구조의 나노 섬유 막을 제조 할 수 있으며 다층 분리기로서 기계적 강도, 열 안정성 및 전기 화학적 성능 측면에서보다 우수한 성능을 얻을 수 있습니다.
일부 연구진은 순차적 전기방사 기술을 통해 강력한 기계적 강도(인장강도 최대 13.96MPa)와 열 안정성을 갖춘 새로운 샌드위치 구조의 PVDF/폴리-페닐렌 이소프탈아미드(PMIA)/PVDF 나노섬유 배터리 분리막을 제작했습니다.
전기방사 용액에 두 개 이상의 유기 폴리머 또는 무기 충전제를 첨가하여 복합 나노섬유 막을 제조하는 것도 분리막의 성능을 개선하는 효과적인 방법입니다.
서로 다른 폴리머 또는 무기 충전제는 단일 폴리머 전구체와 비교하여 물리 화학적 특성 및 전기 화학적 특성이 다르기 때문에 여러 폴리머 재료를 포함하는 복합 막의 종합적인 성능이 향상됩니다.
예를 들어, 연구진은 전기방사를 통해 리그닌/폴리아크릴로니트릴 복합 섬유막(L-PAN)을 제조했습니다. L-PAN의 높은 다공성(74%)과 우수한 전해질 습윤성 덕분에 조립된 배터리는 우수한 속도 성능과 사이클 성능을 보여주었습니다. L-PAN은 제조 비용이 저렴하고 공정이 간단하기 때문에 리튬 이온 배터리 분리막의 이상적인 후보 물질로 사용될 수 있습니다.
전기 방사 멤브레인의 기계적 및 전기 화학적 특성을 더욱 향상시키기 위해, 또 다른 효과적인 방법은 전기 방사 멤브레인을 후처리(화학 구조 또는 표면 형태 수정 포함)하여 우수한 종합 특성을 가진 수정된 분리기를 얻는 것입니다.
연구진은 전기방사 및 딥 코팅 방식으로 PVDF-HFP 나노섬유 표면에 폴리도파민(PDA) 기능성 층을 얇게 개질하고 성장시켜 고안전성 개질 분리막 역할을 하는 독특한 코어-쉘 구조(위 그림 참조)를 형성했습니다.
사이클 안정성과 속도 성능 및 전체 반응 과정은 환경 친화적인 수용액에서 수행되므로 대형 리튬 이온 배터리의 안전한 사용 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
요약
전기방사 기술은 20세기 말부터 전 세계적으로 서서히 연구되고 적용된 신기술로, 리튬 이온 배터리 분야에서 전기방사 기술의 적용이 점차 시작되었습니다.
고 에너지 볼 밀링 및 기상 증착과 같은 여러 기술에 비해 전기 방사 기술은 간단한 원리, 편리한 작동 및 낮은 준비 비용의 장점을 가지고 있으며 점차적으로 일반적으로 사용되는 방법 중 하나가되었습니다. 배터리 재료 건설.
그러나 상용 애플리케이션에서 이 기술은 대량 생산 문제, 나노 구조의 정밀한 제어 방법 등 여전히 많은 과제를 안고 있어 추가적인 최적화와 개선이 필요한 상황입니다.