Технологія електропрядіння - застосування в літій-іонних акумуляторах

Принципи технології електропрядіння

Як показано на малюнку нижче, обладнання, необхідне для електростатичного прядіння, включає високовольтне джерело живлення, пристрій для збору розчину, пристрій для зберігання розчину і пристрій для впорскування. Принцип роботи полягає у використанні високовольтного джерела живлення для створення різниці потенціалів між розчином і збірним пристроєм, завдяки чому розчин долає поверхневий натяг рідини і утворює конус Тейлора.

Коли вночі, коли вранці напруга літій-іонного акумулятора перевищує певне значення, рідина розпилюється з кінця конуса Тейлора. Розпилена рідина розтягується вздовж напрямку сили електричного поля, охолоджується і випаровується розчинником, і, нарешті, утворює нановолокна на пристрої збору. За звичайних обставин напруга, необхідна для електростатичного прядіння, становить від кількох тисяч вольт до десятків тисяч вольт.

Фактори, що впливають на технологію електропрядіння

На застосування технології електропрядіння впливає низка параметрів процесу, і незначна зміна параметрів процесу також матиме певний вплив на морфологію, структуру і властивості нановолокон. Основні впливи поділяються на чотири категорії:

1. Властивості розчину, включаючи в'язкопружність, провідність, поверхневий натяг тощо.
2. Параметри електропрядіння, такі як напруга, відстань між голкою прядильної машини та збірним пристроєм, швидкість руху рідини тощо.
3. Параметри навколишнього середовища, такі як температура, вологість повітря тощо.
4. Метод збору.

Властивості розчину, параметри електропрядіння і параметри навколишнього середовища впливають на швидкість і час випаровування розчинника, величину сили електричного поля, розщеплення і затвердіння волокна, що впливає на розмір і рівномірність діаметра волокна. Метод збору впливає на орієнтацію і форму волокон.

В останні роки нановолокна з різноманітною унікальною структурою, отримані за допомогою технології електроспінінгу, знайшли широке застосування в Промисловість літієвих батарей. Технологія електроспінінгу може бути використана для виготовлення трьох ключових матеріалів літієвої батареї: катодних матеріалів, анодних матеріалів і сепараторів.

Застосування технології електропрядіння - катодні матеріали

Катод є основним донором іонів літію (Li+) в літій-іонних батареях, а також ключовим фактором, що впливає на швидкість передачі іонів літію. Розробка безпечних, економічних, високопродуктивних і високоємних катодні матеріали може ефективно сприяти застосуванню літій-іонних акумуляторів.

В даний час питома розрядна ємність комерційних анодних матеріалів (таких як LiFePO4), як правило, становить менше 200 мАг/г, що є одним з вузьких місць, які обмежують зростаючий попит на літій-іонні акумулятори з високою щільністю енергії і низькою вартістю. Серед різних методів покращення електрохімічних властивостей катодних матеріалів нанопокриття та контроль морфології наноструктури за допомогою технології електроспінінгу довели свою ефективність.

Дослідники успішно синтезували катодний матеріал Li1.2Ni0.17Co0.17Mn0.5O2 у формі квітки за допомогою технології високовольтного електроспінінгу та термічної обробки. Ця впорядкована пориста квіткоподібна морфологія може сприяти швидкій дифузії іонів літію, а зібрана батарея може мати циклічну розрядну ємність до 235 мАг/г.

Електроспінінг, простий і здійсненний метод синтезу, забезпечує ефективний спосіб створення ідеальної структури катода літій-іонних акумуляторів.

Деякі дослідники також синтезували керовані за морфологією наноструктури п'ятиокису ванадію (V2O5) (такі як пористі нанотрубки V2O5, шаруваті нановолокна V2O5 і монокристалічні нанонитки V2O5) за допомогою стратегії "технології електроспінінгу і подальшого відпалу", які використовуються як високоефективні катодні матеріали для літій-іонних акумуляторів, що демонструють високу оборотну ємність і чудові показники циклічності.

Пористі нанотрубки V2O5 мають щільність потужності 40,2 кВт/кг і щільність енергії 201 Вт-год/кг. Крім того, легування перехідними металевими елементами також може покращити продуктивність електродного активного матеріалу, щоб покращити електрохімічні характеристики літій-іонних батарей.

Крім того, дослідники підготували композитні нановолокна Li2Mn0.8Fe0.2SiO4/вуглець шляхом поєднання електроспінінгу та термічної обробки. Було виявлено, що легування залізом покращило провідність і чистоту електродних матеріалів, а матриця з вуглецевих нановолокон сприяла перенесенню іонів і дифузії заряду. Матеріал демонструє хорошу оборотну ємність і відмінні показники циклічності при використанні в якості катода літій-іонного акумулятора.

Застосування технології електропрядіння - анодні матеріали

В останні роки через низький коефіцієнт використання енергії простих анодних матеріалів на основі вуглецю анод літій-іонного акумулятора Дизайн структури став більш складним і тонким, за допомогою технології шовкової плівки з електростатичним прядінням/електростатичним розпиленням можна прорватися через відповідне вузьке місце.

Наприклад, для вирішення проблем низького використання ємності та поганих показників циклічності анодів літій-іонних батарей на основі діоксиду титану/вуглецю (TiO2/C) дослідники підготували дендритні TiO2@мезопористі вуглецеві нановолокна (TiO2@MCNFs) за допомогою процесів електроспінінгу, гідротермічної обробки та карбонізації (як показано на малюнку нижче).

Як основа, дендритний композитний матеріал TiO2@MCNFs має велику кількість відкритих нано-тіо2 решіток, які можуть забезпечити внутрішні кристалічні канали для транспортування іонів літію. Його переплетений каркас з вуглецевого нановолокна має високу структурну цілісність і механічну гнучкість. В якості анодного матеріалу дендритний TiO2@MCNFs має чудову початкову розрядну ємність (1932 мАг/г) і відмінну циклічну продуктивність (617 мАг/г оборотної ємності після 100 циклів).

Унікальна структура та відмінні електрохімічні властивості композитів з дендритною вуглецевою матрицею надають нову ідею для розробки практичних анодних матеріалів для електропрядіння на основі вуглецевих нановолокон, легованих гетероатомами азоту, сірки, фосфору та бору. Наприклад, методом електроспінінгу були отримані леговані азотом вуглецеві нановолокна, модифіковані наночастинками кремнію (W-Si@N-CNFs) та леговані азотом вуглецеві нановолокна з відкритими каналами (N-CNFO).

Оксидні матеріали металів з високою теоретичною питомою ємністю також вважаються перспективними анодними матеріалами. Використання наночастинок перехідних металів для покращення поверхневої електрохімічної реактивності сприяє подальшому підвищенню продуктивності акумулятора. Наприклад, оксид заліза (Fe2O3) - композит вуглецевого волокна, оксид марганцю (MnO) - композит вуглецевого волокна, нановолокна Li4Ti5O12, покриті високопровідним шаром нітриду титану (TiN) /TiOxNy.

Крім того, спеціальні волокнисті структури, такі як порожнисті нановолокна з оксиду нікелю (NiO), отримані методом електроспінінгу, і неткані матеріали на основі кремнію/вуглецю (Si/C) @CNF, отримані методом коаксіального електроспінінгу, також можуть значно поліпшити електрохімічні властивості анодних матеріалів.

Застосування технології електропрядіння - сепаратори

Мембрани з електропряденого нановолокна (одношарові, багатошарові, композитні та модифіковані) мають характеристики пористої структури, високу пористість і велику питому поверхню, і є ідеальними матеріалами-кандидатами для клітинних мембран з метою підвищення ефективності транспорту іонів. Як спеціальний функціональний полімер з чудовими комплексними властивостями, поліімід (ПІ) був розроблений як електроспряжена нановолоконна мембрана.

Дослідники підготували міцну фторовану поліімідну (FPI) нановолокнисту плівку за допомогою процесу електроспінінгу/термічного зшивання, з діафрагмою з високою механічною міцністю (31,7 МПа), малим середнім розміром пор і вузьким розподілом пор за розміром, що демонструє хороші показники в запобіганні росту і проникненню літієвих дендритів, і може бути зібрана в безпечний і надійний літій-іонний акумулятор.

Поєднуючи переваги різних шарів волокон, нановолокнисті мембрани з багатошаровою структурою можна приготувати, регулюючи послідовність прядіння, і як багатошаровий сепаратор отримати більш високі показники механічної міцності, термостійкості та електрохімічних характеристик.

Деякі дослідники виготовили нову сендвіч-структуру PVDF/поліфенілен-ізофталамід (PMIA) / PVDF нановолокнистий сепаратор батареї з високою механічною міцністю (межа міцності на розрив до 13,96 МПа) і термічною стабільністю за допомогою технології послідовного електроспінінгу.

Додавання двох або більше органічних полімерів або неорганічних наповнювачів до електропрядильного розчину для приготування композитних нановолокнистих мембран є ще одним ефективним способом покращення продуктивності сепараторів.

Оскільки різні полімери або неорганічні наповнювачі мають різні фізико-хімічні та електрохімічні властивості порівняно з одним полімерним прекурсором, комплексні характеристики композитних мембран, що містять кілька полімерних матеріалів, покращуються.

Наприклад, дослідники підготували лігнін/поліакрилонітрильні композитні волокнисті мембрани (L-PANs) шляхом електроспінінгу. Завдяки високій пористості (74%) і хорошій змочуваності електролітом L-PANs, зібрані батареї показали хороші показники швидкості і продуктивності циклу. Завдяки низькій вартості підготовки та простому процесу виробництва L-PANs, вони можуть бути використані як ідеальні матеріали-кандидати для сепараторів літій-іонних акумуляторів.

З метою подальшого поліпшення механічних і електрохімічних властивостей електропряденої мембрани ще одним ефективним методом є подальша обробка електропряденої мембрани (включаючи модифікацію її хімічної структури або морфології поверхні) з метою отримання модифікованого сепаратора з відмінними комплексними властивостями.
Дослідники модифікували і виростили тонкий шар функціонального шару полідопаміну (PDA) на поверхні нановолокон PVDF-HFP за допомогою методів електроспінінгу і занурення, сформувавши унікальну структуру "ядро-оболонка" (як показано на малюнку вище), яка служить модифікованим сепаратором високого рівня безпеки.

Стабільність циклу і продуктивність, а також весь процес реакції здійснюється в екологічно чистому водному розчині, який може відповідати вимогам безпечного використання великих літій-іонних акумуляторів.

Підсумок

Як нова технологія, яка поступово досліджувалася і застосовувалася в усьому світі в кінці 20-го століття, поступово почалося застосування технології електроспінінгу в області літій-іонних акумуляторів.

У порівнянні з деякими технологіями, такими як високоенергетичне кульове подрібнення і осадження з газової фази, технологія електроспінінгу має переваги простого принципу, зручної експлуатації і низької вартості підготовки, і поступово стала одним з найбільш часто використовуваних методів для матеріали для акумуляторів будівництво.

Однак у комерційному застосуванні ця технологія все ще має багато викликів, таких як проблема масового виробництва, як досягти точного контролю наноструктур тощо, і всі вони потребують подальшої оптимізації та вдосконалення.