2.3　静电纺丝技术在锂离子电池领域中的应用

由于纳米材料的孔体积和比表面积都比较大，在大电流充放电下表现出锂离子脱嵌深度小、极化程度小、循环稳定性好、可逆性能高等诸多优点，用其作为锂离子电池电极的研究较为活跃。为了获得具有以上结构的电极材料，选择合适的制备方法就显得尤为重要。目前，常见的制备锂离子电池电极材料的方法主要有溶胶-凝胶法和水热合成法，以及热蒸发、化学气相沉积、高温分解等方法。在众多方法中，静电纺丝技术是近年来发展起来的制备一维微纳米材料的重要方法。

近年来，静电纺丝技术也被广泛应用于制备锂离子电池电极材料。静电纺丝技术制备的一维无机材料在锂离子电池领域的应用还具有许多独特的优势。首先，由于静电纺丝法制备的纳米纤维的直径较小，锂离子在纳米纤维中的嵌入深度浅、扩散路径短，有利于锂离子在材料中的快速脱嵌。其次，纳米纤维具有较大的比表面积，这样有助于减小电极在电化学反应过程中的极化现象以及增加电极与电解液之间的接触，有利于锂离子的传输。最后，静电纺制备的纳米纤维在纤维轴向方向上有很多表面缺陷或晶格缺陷，可以为锂离子提供更多的反应位点，而提高材料的储锂性能。因此，近年来越来越多的研究者关注静电纺丝法制备的纳米纤维在锂离子电池方面的应用。

需要说明的是，静电纺丝技术制备无机纳米纤维主要利用的是含有聚合物（如聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈等）的纺丝前驱溶液，这就需要将得到的无纺布薄膜进一步高温处理，以便获得无机纳米纤维。如果选择在空气中高温煅烧，聚合物分解形成的气体会发生扩散，从而导致多孔或者中空纳米管的形成。如果选择在惰性气体中高温煅烧，聚合物分解碳化会形成含有无机化合物分散在导电基体中的复合材料。虽然进一步高温处理增加了整个工艺的复杂性，但是高温煅烧也促使静电纺丝技术制备的无机材料具有灵活性、可控性，最重要的是具有多功能性。更有利于将制备的一维无机材料应用于锂离子电池。

自从静电纺丝技术被应用于制备锂离子电池电极材料以来，其发展大致可分为3个方面的研究。

①利用静电纺丝技术制备一维无机化合物电极材料　这类材料主要是将得到的含有金属盐和聚合物的无纺布纤维薄膜直接在空气中高温煅烧，除去聚合物和促使无机物形成得到。同时，通过控制前驱液的组成、含量和煅烧的温度还可以得到具有特殊形貌的一维无机化合物电极材料，如纳米管、纳米带等。这类电极材料由于具有多孔或中空的一维纳米结构，可以大大提高电极材料的循环稳定性。例如，Mai等[39]利用静电纺丝技术和随后的热处理过程制备了超长的次级V2O5纳米线锂离子电池正极材料。与水热方法制备的较短的纳米棒相比，这种超长的纳米线展现出较高的容量。实际上，超长的次级纳米线是由短的纳米棒组成的，这就极大地减少了电极材料出现自聚集现象，更有利于保持活性物质，导电剂和电解液的有效接触面积，所以其电化学性能更加优异（图2-7）。

图2-7　次级V2O5纳米线的制备及电池性能

②利用静电纺丝技术制备一维无机化合物/碳复合电极材料　这类材料主要是将得到的含有金属盐和聚合物的无纺布纤维薄膜在惰性气体中高温煅烧，促使聚合物分解碳化形成碳纤维而得到的。通过控制前驱液的种类、组成和含量，可以获得碳包覆无机化合物的核壳结构。这类电极材料由于具有导电的碳纤维包覆，不仅提高了材料的导电性能，而且对无机化合物起了缓冲和保护的作用，从而提高了电极材料的循环寿命和倍率性能。例如，Yu等[40，41]先后利用单轴和同轴电纺技术制备了包覆锡纳米粒子的多孔、多通道的碳纳米管[图2-8（a）～（c）]和竹节状结构的中空碳纤维[图2-8（e）～（g）]。这种多孔、中空的碳层不仅可以提供足够的空间来容纳锡纳米粒子在充放电过程中的体积改变，而且可以维持锡纳米粒子结构的稳定性，避免被氧化。因此，在作为锂离子电池负极材料时表现出优异的性能[图2-8（d）、（h）]。

图2-8　无机化合物/碳复合材料的制备及电池性能

③利用静电纺丝技术制备无机化合物/碳柔性复合电极材料（图2-9）　研究者利用特定聚合物高温分解碳化后可以得到柔性薄膜的特性，制备不需要集流体和黏结剂的自支撑的电极材料。此类电极材料不仅减少了电极制备过程中的繁琐过程，而且不需要使用集流体和黏结剂，大大减少了锂离子电池制备的成本。例如，Li等[42]将锗纳米粒子封装到柔性碳纤维内，并将其作为自支撑的一体化电极。当测试其作为锂离子电池负极材料时，该电极表现出优异的电化学性能。此外，自支撑的一体化电极可以大大节省制备的成本，必将成为未来的研究的热点。

图2-9　无机化合物/碳柔性复合电极材料及电池性能

当然，这3个方面的研究相互交融，并没有明显的时间界限。不论哪种结构，构筑具有以上特点的一维纳米材料对改善锂离子电池性能都具有极其重要的实际意义。一维纳米材料在锂离子电池电极材料的应用越来越被科研人员所重视，将会成为未来锂离子负极材料研究领域中最有前途的研究方向之一。