从科研突破到产业落地：PVDF-HFP静电纺丝膜在新能源领域的双重实践

发布时间：2025.08.15
作者：wemaxnano

一、引言：新能源膜材料的价值与挑战

在全球能源结构加速转型的今天，清洁可再生能源的利用已成为主流趋势。太阳能、风能等可再生能源的装机容量不断攀升，但它们的间歇性与波动性决定了必须依赖高性能储能系统来实现稳定供电。在各类储能技术中，二次电池（可充电电池）以其高能量密度和便捷性，成为当前最受关注的方向。

而在二次电池的构成中，膜材料——无论是隔膜还是固态/准固态电解质膜——都发挥着至关重要的作用。它不仅是电解质离子传输的通道，也是影响电池安全性、循环寿命、倍率性能的关键因素。

近年来，静电纺丝技术因其可制备纳米纤维、多孔结构且厚度可控的优势，成为高性能膜材料制备的重要手段。相比传统相转化法、涂布法，静电纺丝在微观结构调控、孔隙率设计以及多组分复合方面更具灵活性。

在众多聚合物中，PVDF-HFP（聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物）因其较高介电常数（ε≈8.4）、可诱导形成电活性 β 相、低结晶度以及优异的化学稳定性，在储能与柔性电子领域被视为关键膜材。这些特性不仅有助于提升离子迁移率，还能增强膜与电极界面的相容性，从而显著改善电池的循环稳定性与安全性。

本文将基于台湾大学刘如熹教授、国立台北科技大学的钟仁杰教授联合发表于《Advanced Energy Materials》(IF=26.8)的一项最新研究——高性能Mg–O₂电池用PVDF-HFP静电纺丝准固态聚合物电解质（E-QSSE），解析一种用于Mg–O₂电池的高性能PVDF-HFP准固态聚合物电解质（E-QSSE）的设计理念、工艺方法及性能优势，并探讨此类材料在不同能源体系中产业化的可行性与应用前景。

二、论文成果解读：PVDF-HFP静电纺丝膜在Mg–O₂电池中的应用

2.1 研究背景

传统锂离子电池虽然在商业应用中取得了巨大成功，但受限于资源稀缺性、安全隐患和理论能量密度瓶颈，其长期可持续发展面临挑战。金属–空气电池，特别是镁–氧（Mg–O₂）体系，以镁金属为负极、空气中的氧气为正极活性物质，理论能量密度可达3920 Wh/kg，是锂电的近11倍，并且镁资源丰富、安全性高。

然而，Mg–O₂电池的发展受制于电解质性能不足。液态电解质虽然离子电导率高，但存在泄漏、挥发、界面稳定性差等问题；全固态聚合物电解质稳定性好，但离子电导率低。准固态聚合物电解质（QSSE）成为折中选择——它兼具液态的高电导率和固态的机械稳定性。

2.2 材料体系与设计思路

研究团队选择了PVDF-HFP（聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物）作为静电纺丝膜基体，这是一种结晶度低、介电常数高、化学稳定性强的聚合物，且在静电纺丝过程中能够形成电活性的β相，提高极性并促进离子传输。

在PVDF-HFP膜中引入Mg(NO₃)₂镁盐和Pyr₁₄TFSI离子液体，构建出电纺准固态聚合物电解质（E-QSSE）。

• PVDF-HFP 提供机械支撑与微纳结构框架；

• 镁盐提供Mg²⁺传输源；

• 离子液体 作为增塑剂和电解质溶剂，提高离子电导率并稳定界面。

此外，团队采用夹心式结构将E-QSSE与Ru/CNT催化阴极结合，优化氧还原与氧析出反应的可逆性，减少极化，提高循环稳定性。

示意图 1. 静电纺丝 PVDF-HFP 膜及 E-QSSE 在 Mg–O₂ 电池中合成工艺的示意图

2.3 性能表现

• 离子电导率：1:1摩尔比E-QSSE在室温下达6.39 mS/cm，明显优于0.5:1（1.37 mS/cm）；

• 电化学稳定窗口：3.95 V，可支持高电压工作；

• 循环寿命：在100 mA/g下稳定循环115圈，库仑效率100%，最大放电容量9305 mAh/g；

• 界面稳定性：生成MgF₂为主的稳定SEI层，有效抑制副反应与电极腐蚀。

2.4 机理与结构分析

• XPS/XANES：放电产物主要为MgO，MgF₂存在于SEI中，循环过程中保持稳定；

• SEM/TEM：E-QSSE膜结构均匀致密，循环后电极表面产物分布均匀；

• 热稳定性：E-QSSE可在150°C以上保持性能，满足高温工作需求。

这一成果充分说明，静电纺丝PVDF-HFP膜在金属–空气电池中不仅能提升离子传输，还能显著改善界面稳定性和循环寿命，为高能量密度储能系统提供了新的解决方案。

图1展示了原始 PVDF-HFP 薄膜及不同镁盐与离子液体比例的 E-QSSE 的 XRD 图谱

图1：展示了原始 PVDF-HFP 薄膜及不同镁盐与离子液体比例（1:1 和 0.5:1 m）的 E-QSSE 的 XRD 图谱、TGA 热重曲线及 FTIR 光谱，分别用于分析材料的结晶结构、热稳定性及官能团变化。

图2：包含静电纺丝 PVDF-HFP 膜（a–c）、1:1 m 比例的 E-QSSE（d–f）及 0.5:1 m 比例的 E-QSSE（g,h）的 FESEM 图像，揭示纤维结构与孔隙形貌的差异。另附接触角测试结果（102.7°）表明材料具有一定疏水性。

图3：展示 E-QSSE-1:1 m 与 E-QSSE-0.5:1 m 电解质的 Nyquist 阻抗谱（a）和线性扫描伏安曲线（b），用于比较其离子电导率与电化学稳定窗口。

图4：展示基于 E-QSSE-1:1 M 的 Mg–O₂ 电池的恒流充放电（GDC）循环性能（a）及终端放电容量等性能指标（b），验证其在长循环条件下的稳定性与容量保持能力。

图5：给出了在最大放电容量下的 Ru/CNT 阴极的 XPS 高分辨谱，分别为 Mg 2p（a）、F 1s（b）和 O 1s（c），用于分析 SEI 层和放电产物的化学组成。

三、产业化视角下的静电纺丝PVDF-HFP膜

在膜材料的研发过程中，科研与产业化往往存在一道“鸿沟”——实验室的理想性能很难在量产中重现。这主要源于三个方面：

• 环境稳定性不足：温湿度变化、空气流动会影响纤维成形，导致膜结构不均、纺丝状态不稳定；

• 工艺参数放大难：实验室单喷头与产业化多喷头在电场分布、液滴成形等方面存在差异；

• 质量一致性要求高：工业生产需要长时间稳定运行，任何波动都可能导致大批量不合格品。

所以静电纺丝膜从实验室走向产业化，需要解决三个核心难题：环境稳定性、工艺放大、质量一致性。

在国内外的产业化探索中，佛山微迈科技有限公司等高端装备制造商，通过在设备结构设计、环境控制系统和工艺调试库的持续研发，已能满足高性能纳米纤维膜连续化生产的关键需求。以静电纺丝PVDF-HFP膜为例，先进的生产线往往采用全封闭恒温恒湿生产车间（温度控制精度 ±0.5°C，湿度控制精度 ±2%）、多喷头均压技术保证喷丝一致性，以及在线工艺监测与闭环控制系统，在大幅宽条件下实现膜厚和纤维直径的稳定可控。这些技术的应用，使得科研阶段优化出的膜结构参数，能够在工业化生产中被稳定复制，并显著缩短从实验室成果到商业产品的转化周期。