Elektrospinning teknolojisi - lityum-iyon pillerde uygulama

Elektrospinning teknolojisinin prensipleri

Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, elektrostatik eğirme için gerekli ekipman yüksek voltajlı bir güç kaynağı, bir toplama cihazı, bir çözelti depolama cihazı ve bir enjeksiyon cihazı içerir. Prensip, çözelti ile toplama cihazı arasında bir voltaj farkı oluşturmak için yüksek voltajlı bir güç kaynağı kullanmaktır, böylece çözelti sıvının yüzey geriliminin üstesinden gelir ve bir Taylor konisi oluşturur.

Ne zaman lityum iyon pil voltajı belirli bir değeri aştığında, sıvı Taylor konisinin ucundan püskürtülür. Püskürtülen sıvı elektrik alan kuvvetinin yönü boyunca gerilir, soğutulur ve çözücü tarafından buharlaştırılır ve son olarak toplama cihazında nanolifler oluşturur. Normal şartlar altında, elektrostatik eğirme için gereken voltaj birkaç bin volt ile on binlerce volt arasındadır.

Elektrospinning teknolojisini etkileyen faktörler

Elektrospinning teknolojisinin uygulanması bir dizi proses parametresinden etkilenir ve proses parametrelerinin ince bir şekilde değiştirilmesi de nanoliflerin morfolojisi, yapısı ve özellikleri üzerinde belirli bir etkiye sahip olacaktır. Ana etkiler dört kategoriye ayrılır:

1. Viskoelastisite, iletkenlik, yüzey gerilimi vb. dahil olmak üzere çözelti özellikleri.
2. Voltaj, düze iğnesi ile toplama cihazı arasındaki mesafe ve sıvı itme hızı gibi elektrospinning parametreleri.
3. Sıcaklık, hava nemi vb. gibi çevresel parametreler.
4. Toplama yöntemi.

Çözeltinin özellikleri, elektrospinning parametreleri ve çevresel parametreler, çözücünün buharlaşma oranını ve süresini, elektrik alan kuvvetinin boyutunu, lifin bölünmesini ve sertleşmesini etkileyecek, böylece lif çapının boyutunu ve homojenliğini etkileyecektir. Toplama yöntemi liflerin yönünü ve şeklini etkiler.

Son yıllarda, elektroeğirme teknolojisi ile hazırlanan çeşitli benzersiz yapılara sahip nanolifler yaygın olarak kullanılmaktadır. lityum pil endüstrisi. Elektrospinning teknolojisi, lityum pilin üç temel malzemesinin yapımında kullanılabilir: katot malzemeleri, anot malzemeleri ve ayırıcılar.

Elektrospinning teknolojisi uygulamaları - katot malzemeleri

Katot, lityum iyon pillerdeki ana lityum iyon (Li+) donörüdür ve aynı zamanda lityum iyonlarının iletim hızını etkileyen önemli bir faktördür. Güvenli, ekonomik, yüksek performanslı ve yüksek kapasiteli pillerin geliştirilmesi katot malzemeleri lityum-iyon pillerin uygulanmasını etkili bir şekilde teşvik edebilir.

Şu anda, ticari anot malzemelerinin (LiFePO4 gibi) spesifik deşarj kapasitesi genellikle 200mAh/g'dan azdır ve bu da yüksek enerji yoğunluğu ve düşük maliyetli lityum-iyon pillere yönelik artan talebi kısıtlayan darboğazlardan biridir. Katot malzemelerinin elektrokimyasal özelliklerini iyileştirmek için çeşitli yöntemler arasında, nano kaplama ve elektrospinning teknolojisi ile nano yapı morfolojisinin kontrolünün etkili yöntemler olduğu kanıtlanmıştır.

Araştırmacılar, yüksek voltajlı elektrospinning teknolojisi ve ısıl işlem kullanarak çiçek benzeri Li1.2Ni0.17Co0.17Mn0.5O2 katot malzemesini başarıyla sentezledi. Bu düzenli gözenekli çiçek benzeri morfoloji, lityum iyonlarının hızlı difüzyonunu teşvik edebilir ve birleştirilmiş pil 235mAh/g'a kadar döngüsel deşarj kapasitesine sahip olabilir.

Basit ve uygulanabilir bir sentez yöntemi olan elektrospinning, lityum-iyon pillerin katodunun ideal yapısını tasarlamak için etkili bir yol sağlar.

Bazı araştırmacılar da "elektrospinning teknolojisi ve ardından tavlama işlemi" stratejisiyle morfolojisi kontrol edilebilir vanadyum pentoksit (V2O5) nanoyapıları (gözenekli V2O5 nanotüpler, katmanlı V2O5 nanofiberler ve tek kristal V2O5 nanoribonlar gibi) sentezlemiş olup bunlar lityum-iyon piller için yüksek performanslı katot malzemeleri olarak kullanılmakta, yüksek tersinir kapasite ve mükemmel çevrim performansı göstermektedir.

Gözenekli V2O5 nanotüpler 40.2kW/kg güç yoğunluğuna ve 201Wh/kg enerji yoğunluğuna sahiptir. Buna ek olarak, geçiş metali elementlerinin katkılanması, lityum-iyon pillerin elektrokimyasal performansını iyileştirmek için elektrot aktif malzemesinin performansını da artırabilir.

Ayrıca araştırmacılar, elektrospinning ve ısıl işlemi birleştirerek Li2Mn0.8Fe0.2SiO4/karbon kompozit nanolifler hazırladılar. Demir katkısının elektrot malzemelerinin iletkenliğini ve saflığını artırdığı ve karbon nanofiber matrisin iyon transferini ve yük difüzyonunu teşvik ettiği bulunmuştur. Malzeme, lityum-iyon pilin katodu olarak kullanıldığında iyi tersinir kapasite ve mükemmel döngü performansı gösterir.

Elektrospinning teknolojisi uygulamaları - anot malzemeleri

Son yıllarda, basit karbon bazlı anot malzemelerinin düşük enerji kullanım oranı nedeniyle lityum iyon pil anotu Elektrostatik eğirme/elektrostatik sprey kaplama ipek film teknolojisinin yardımıyla yapı tasarımı daha karmaşık ve ince hale gelmiştir, ilgili darboğazı aşabilir.

Örneğin, lityum iyon pillerin titanyum dioksit/karbon bazlı (TiO2/C) anodunun düşük kapasite kullanımı ve zayıf çevrim performansı sorunlarını ele almak için araştırmacılar elektroeğirme, hidrotermal işlem ve karbonizasyon süreçleriyle dendritik TiO2@mezogözenekli karbon nanolifler (TiO2@MCNF'ler) hazırlamıştır (aşağıdaki şekilde olduğu gibi).

Omurga desteği olarak, dendritik TiO2@MCNFs kompozit malzemesi, lityum iyonu taşınması için içsel kristal kanallar sağlayabilen çok sayıda açık nano-tio2 kafesine sahiptir. İç içe geçmiş karbon nanofiber iskeleti yüksek yapısal bütünlüğe ve mekanik esnekliğe sahiptir. Bir anot malzemesi olarak, dendritik TiO2@MCNFs mükemmel başlangıç deşarj kapasitesine (1932mAh/g) ve mükemmel döngü performansına (100 döngüden sonra 617mAh/g tersinir kapasite) sahiptir.

Dendritik karbon matris kompozitlerinin benzersiz yapısı ve mükemmel elektrokimyasal özellikleri, heteratom azot, kükürt, fosfor ve bor katkılı pratik elektrospinning karbon nanofiber anot malzemelerinin geliştirilmesi için yeni bir fikir sunmaktadır. Örneğin, silikon nanopartiküller (W-Si@N-CNFs) ile modifiye edilmiş azot katkılı karbon nanolifler ve açık kanallı (N-CNFO) azot katkılı karbon nanolifler elektrospinning ile hazırlanmıştır.

Yüksek teorik özgül kapasiteye sahip metal oksit malzemelerin de umut verici anot malzemeleri olduğu düşünülmektedir. Yüzey elektrokimyasal reaktivitesini iyileştirmek için geçiş metali nanopartiküllerinin kullanılması, pil performansının daha da iyileştirilmesine yardımcı olur. Demir oksit (Fe2O3)-karbon fiber kompoziti, manganez oksit (MnO)-karbon fiber kompoziti, yüksek iletkenliğe sahip titanyum nitrür (TiN)/TiOxNy tabakası ile kaplanmış Li4Ti5O12 nanofiberler gibi.

Ayrıca, elektrospinning ile hazırlanan içi boş nikel oksit (NiO) nanolifler ve koaksiyel elektrospinning ile hazırlanan çekirdek-kabuk silikon/karbon bazlı (Si/C) @CNF dokunmamış kumaşlar gibi özel fiber yapılar da anot malzemelerinin elektrokimyasal özelliklerini önemli ölçüde geliştirebilir.

Elektrospinning teknolojisi uygulamaları - separatörler

Elektrospun nanofiber membranlar (tek katmanlı, çok katmanlı, kompozit ve modifiye) gözenekli yapı, yüksek gözeneklilik ve geniş spesifik yüzey alanı özelliklerine sahiptir ve iyon taşıma verimliliğini artırmak için hücre membranları için ideal aday malzemelerdir. Mükemmel kapsamlı özelliklere sahip özel bir fonksiyonel polimer olan poliimid (PI), elektrospun nanofiber membran olarak geliştirilmiştir.

Araştırmacılar, yüksek mekanik mukavemete (31,7MPa), küçük ortalama gözenek boyutuna ve dar gözenek boyutu dağılımına sahip, lityum dendritlerin büyümesini ve nüfuz etmesini önlemede iyi performans gösteren ve güvenli ve güvenilir bir lityum iyon pile monte edilebilen bir diyaframa sahip, elektrospinning / termal çapraz bağlama işlemi yoluyla sağlam bir florlu poliimid (FPI) nanofiber film hazırladılar.

Farklı elyaf katmanlarının avantajlarını birleştirerek, eğirme sırasını ayarlayarak çok katmanlı bir yapıya sahip nanofibröz membranlar hazırlanabilir ve çok katmanlı bir ayırıcı olarak mekanik mukavemet, termal stabilite ve elektrokimyasal performans açısından daha mükemmel performans elde edilebilir.

Bazı araştırmacılar, sıralı elektrospinning teknolojisi ile güçlü mekanik mukavemete (13.96MPa'ya kadar çekme mukavemeti) ve termal stabiliteye sahip yeni bir sandviç yapı PVDF/polim-fenilen izoftalamid (PMIA)/PVDF nanofiber pil ayırıcı üretmiştir.

Kompozit nanofibröz membranlar hazırlamak için elektrospinning çözeltisine iki veya daha fazla organik polimer veya inorganik dolgu maddesi eklemek, ayırıcıların performansını artırmanın bir başka etkili yoludur.

Farklı polimerler veya inorganik dolgu maddeleri farklı fiziksel ve kimyasal özelliklere ve elektrokimyasal özelliklere sahip olduğundan, tek bir polimer öncüsü ile karşılaştırıldığında, birden fazla polimer malzeme içeren kompozit membranların kapsamlı performansı geliştirilir.

Örneğin, araştırmacılar elektrospinning yoluyla lignin/poliakrilonitril kompozit fiber membranlar (L-PAN'lar) hazırladılar. L-PAN'ların yüksek gözenekliliği (74%) ve iyi elektrolit ıslanabilirliği sayesinde, birleştirilmiş piller iyi hız performansı ve döngü performansı göstermiştir. L-PAN'ların düşük hazırlama maliyeti ve basit süreci nedeniyle, lityum-iyon pil ayırıcıları için ideal aday malzemeler olarak kullanılabilirler.

Elektrospun membranın mekanik ve elektrokimyasal özelliklerini daha da iyileştirmek için bir diğer etkili yöntem, mükemmel kapsamlı özelliklere sahip modifiye edilmiş bir ayırıcı elde etmek amacıyla elektrospun membrana sonradan işlem uygulamaktır (kimyasal yapısını veya yüzey morfolojisini değiştirmek dahil).
Araştırmacılar, PVDF-HFP nanoliflerinin yüzeyinde ince bir polidopamin (PDA) fonksiyonel tabakasını elektrospinning ve daldırma kaplama yöntemleriyle modifiye edip büyüterek, yüksek güvenlikli modifiye bir ayırıcı görevi gören benzersiz bir çekirdek-kabuk yapısı (yukarıdaki şekilde gösterildiği gibi) oluşturdular.

Döngü kararlılığı ve hız performansı ve tüm reaksiyon süreci, büyük lityum iyon pillerin güvenli kullanım gereksinimlerini karşılayabilen çevre dostu sulu bir çözelti içinde gerçekleştirilir.

Özet

Elektrospinning teknolojisi, 20. yüzyılın sonunda dünya çapında yavaş yavaş araştırılan ve uygulanan yeni bir teknoloji olarak, lityum-iyon piller alanında yavaş yavaş uygulanmaya başlanmıştır.

Yüksek enerjili bilyalı öğütme ve buhar biriktirme gibi çeşitli teknolojilerle karşılaştırıldığında, elektrospinning teknolojisi basit prensip, rahat çalışma ve düşük hazırlık maliyeti avantajlarına sahiptir ve giderek yaygın olarak kullanılan yöntemlerden biri haline gelmiştir. akü malzemeleri̇ İnşaat.

Bununla birlikte, ticari uygulamalarda, bu teknolojinin hala seri üretim sorunu, nanoyapıların hassas kontrolünün nasıl sağlanacağı vb. gibi daha fazla optimizasyon ve iyileştirme gerektiren birçok zorluğu vardır.