一、背景

     全球能源需求与日俱增和环境污染严重等问题的出现，使得高效和环保的可再生能源的转化和储存技术受到全世界的广泛关注。锂离子电池因具有能量密度高、重量密度低、循环寿命长、不存在记忆效应等特点而备受科研人员的关注，近些年一直被认为是可再生能源领域最有前途的储能器件之一。目前商用锂离子电池最常用的是粉末电极，如以石墨为负极，金属锂氧化物(如 LiCoO2)为正极，然而这些粉末材料在作为锂离子电池负极材料时因扩散路径较长，可能导致锂离子电池在循环过程中倍率性能较差，体积膨胀较大等问题，从而使电池循环稳定性较差，因此探索具有更高可逆容量、长循环寿命的替代电极材料已成为当今的紧迫任务。

二、碳纳米纤维

     在解决因体积膨胀导致电池循环性能差这类问题的方法中，制备具有先进纳米结构的纤维材料是解决这些问题的重要方法之一。纳米纤维主要是指在三维尺度上有两维的尺寸处于纳米范围的线或管状材料，由于这种材料具有比表面积大、孔隙率高等优点，使得纳米纤维材料在储能材料、生物医学以及其它特殊领域都有着良好的应用前景。通过拉伸法、模板合成法、相分离法、自组装法和静电纺丝等均可制备纳米纤维，而静电纺丝技术具有制作装置简单、成本低廉等优点而受到许多研究人员的青睐。应用静电纺丝技术更是可以制备出各种具有碳纳米纤维结构的锂离子电池负极材料，这种碳纳米纤维(CNFs)及其形态衍生物(如多孔或中空CNFs)可以作为锂离子电池导电添加剂、集电流剂和电极活性材料，CNFs 也因具有特殊的纳米纤维结构以及优良的机械性能、较大的电极与电解质界面的比表面积、较短的离子输运长度和高效的纵向电子输运而备受关注。

碳纳米纤维结构及微观形貌图

静电纺丝碳纤维前驱体

理论上任何带有碳骨架的材料都可以用作碳前驱体，但能转化为 CNFs 的聚合物纳米纤维数量却很有限，目前为止比较常见的水溶性聚合物包括聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚环氧乙烷(PEO)等，非水溶性聚合物包括聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚乳酸(PLA)、明胶等。在这些聚合物中，聚丙烯腈因其超高的产碳率和优良的机械和电化学性能而受到研究人员的关注，然而，碳纳米纤维的进一步发展是必要的，以满足对锂离子电池不断扩大的需求。为了获得具有多孔、中空、核壳纳米结构的 CNFs，可以在静电纺丝前驱体中引入第二组分，并在随后的煅烧中，可选择性地去除第二组分。

三、静电纺丝碳纳米纤维复合负极材料

     由于碳纳米纤维自身容量较低的缺点，单独作为锂离子电池电极材料时常表现出较低的容量，与此同时碳材料可以作为单质、氧化物、多元氧化物、硫化物等的载体，将这些材料和碳纳米纤维复合可以改善其电化学性能，这种复合方式成为研究的发展趋势，因此近年来研究人员对锂离子电池静电纺丝负极材料的研究越来越重视，并提出了这些材料缺点以及改善方法，下面将详细介绍几类不同的与碳纳米纤维材料复合的负极材料。

1.单质/碳纳米纤维复合材料

     硅的导电性差以及在循环过程中体积膨胀大限制了其商业化。解决体积膨胀大这一问题的有效途径是将理论容量更高的 Si 纳米颗粒引入到碳纳米纤维基体中，以改善其由于与锂离子的合金和脱合金反应导致的高达 400%的体积变化以及纳米颗粒容易聚集而导致锂离子电池循环性能差等问题。

 

3.多元氧化物/碳纳米纤维复合材料

 

     多元氧化物对电池充放电过程中的放电产物的形成与分解具有很好的催化作用，在碳纳米纤维中引入高价金属元素的多元金属氧化物，可以有效地调节材料表面的电子结构，进一步增强电极活性。静电纺丝常见的引入的多元氧化物有：锡基多元氧化物、硅基多元氧化物等。

 

4.金属硫化物/碳纳米纤维复合材料

    与金属氧化物相比，过渡金属硫化物(例如 NiS、MoS2、Sb2S3)通常具有更高的电导率、更高的理论比容量和循环稳定性。然而，在实际应用中，金属硫化物作为锂离子电池负极材料，由于锂离子的重复插入和脱嵌，可能会导致较大的体积膨胀甚至结构损坏，进而出现较低的倍率性能和容量的快速衰减现象。针对这一问题研究人员给出的解决方案是通过静电纺丝技术将金属硫化物掺入独立的碳纳米纤维中从而构建碳–金属–硫化物材料，能够有效的提高电子电导率。金属硫化物碳纳米纤维结构的制备方法是首先将硫分散在制备好的金属醋酸盐和聚合物溶液中，通过静电纺丝制备纳米纤维，然后对静电纺丝后的纤维进行氮气中的热处理形成金属硫化物碳纳米纤维复合材料，在这个过程中，金属醋酸盐和硫相互反应形成金属硫化物，而聚合物主链变成碳纳米纤维。

 

四、新能源静电纺丝生产线

 

     我司深耕静电纺丝行业20多年，公司研发团队拥有200多项专利，10000多个合作客户，全球100多个产业化合作案例。固态电解质膜静电纺丝生产线，设备幅宽可选择1.2/1.6/1.8m，稳定纺丝的基体材料有：PEO、PAN、PMMA、PVDF/PVDF-HFP等聚合物，纤维直径可控制在200-500nm之间，生产效率高，以纺20μm的膜厚为例，一台设备日产能可达到8000+㎡/天，具有可观的经济效益。

标准化生产线

	采用全喷头的纺丝模式避免了无针式自由液面的不稳定和不均匀性，大大降低了膜面的残次点出现的概率，纤维直径窄且可控，结构稳定。5大独立控制系统——收放卷系统、自动供液系统、温湿度控制系统、PLC控制系统和7英寸全彩触摸屏操控系统，为设备的稳定生产保驾护航。
不同喷头纺丝方式可以沿着收卷方向排列，可独立控制纺丝参数，可以获得纳米纤维-纳米纤维、纳米纤维-纳米颗粒（电池无机材料）等多形貌-多组分嵌入式的网络结构，从结构设计上提高固态电池的综合性能。