摘要：静电纺丝是制备多尺度结构纳米纤维（MSNFs）的一种独特技术，它可以作为功能单元用于提高锂基电池的性能。近日，河南大学赵勇教授、北京航空航天大学赵勇教授综述研究了MSNF（包括核壳、中空多孔、多通道、管中线、管中管和分级纳米纤维）作为锂基电池中的组件，以及如何
静电纺丝是制备多尺度结构纳米纤维（MSNFs）的一种独特技术，它可以作为功能单元用于提高锂基电池的性能。近日，河南大学赵勇教授、北京航空航天大学赵勇教授综述研究了MSNF（包括核壳、中空多孔、多通道、管中线、管中管和分级纳米纤维）作为锂基电池中的组件，以及如何有效提高电池性能。相关研究内容以“Electrospun Multiscale Structured Nanofibers for Lithium-Based Batteries”为题目，发表在期刊《Advanced Energy Materials》 ( IF 24.4 )上。
本文要点：
1、本文系统地研究了MSNFs（包括核壳、中空多孔、多通道、管中线、管中管和分级纳米纤维）如何作为锂基电池的组件有效地提高电池性能。
2、MSNF 用于电极和电解质，可提高电子/离子传输速率、提高活性材料的利用率、抑制枝晶生长并减轻体积膨胀，从而在电极上实现快速稳定的电化学反应。
3、讨论了 MSNFs 用作隔膜，具有更多的离子传输通道、卓越的机械性能，增加了热稳定性进而提升电池安全性。
4、最后，展望了电纺丝技术在锂基电池中的应用面临的挑战和未来发展方向。
多尺度结构纳米纤维，如核壳、中空多孔、多通道、管中管和分级结构等，如何提升锂基电池的性能？1、核壳结构
保护活性材料与提高导电性：核壳结构的纳米纤维能为内核的活性材料提供稳定的外壳保护，例如在一些负极材料中，外壳可以防止活性材料与电解液直接接触，减少副反应的发生，从而提高电池的循环稳定性。同时，外壳还可以作为离子或电子的传导通路，增强材料的导电性，进而提升电池的充放电速率。
2、中空多孔结构
缓冲体积变化与增强反应动力学：在锂基电池的充放电过程中，电极材料会发生体积变化，中空多孔结构能够提供较大的内部空间来缓冲这种体积膨胀，保持电极结构的完整性，从而延长电池的循环寿命。此外，多孔结构大大增加了材料的表面积，提供了更多的活性位点，有利于离子的扩散和反应的进行，不仅能提高锂的存储容量，还能加快离子传输速度，提升电池的整体性能。
3、多通道结构
促进离子扩散与提高电解质渗透：多通道结构为离子扩散提供了多个途径，有效降低了电池的内阻，显著提高了充放电速率。这种结构还能使电解质更好地渗透到电极材料中，增强离子传输动力学，进一步优化电池的性能。
4、管中管结构
增强稳定性与提高离子/电子传输：管中管结构为活性材料提供了多层保护，增强了电极的机械稳定性，防止活性材料与电解液之间的副反应，从而提高电池的安全性和循环寿命。同时，其独特的结构有助于离子和电子的传输，提高了电池的倍率性能。
5、分级结构
协同作用提升综合性能：分级结构结合了微观和宏观结构的优势，通过不同尺度结构的协同作用，有效提升了高能量密度锂基电池的性能。例如，在一些正极材料中，分级结构能够改善离子和电子的传输效率，提供丰富的反应活性位点，并确保在充放电循环过程中电极结构的稳定性，从而提高电池的能量密度、充放电速率和循环寿命。
图1：电纺丝MSNFs在锂基电池中的应用示意图（分层结构（HR）、核壳（CS）、空心多孔（HP）、管中线（WIT）、管中管（TIT）、多通道（MC））。
图2 Web of Science数据库2015-2024年关于锂基电池用电纺纳米纤维的研究文章数。
图3：a)静电纺丝的基本结构。b)电纺丝制备的 MSNFs包括HR、WIT、TIT、SMT和MC。c) MSNFs提高锂基电池性能的机理。d) MSNFs在锂基电池中的优势。
图4：电纺丝技术在锂基电池中开发MSNFs关键事件的时间轴。
图5：普通主体作为a)正极，b)负极，c)隔膜与MSNFs主体作为d)正极，e)负极，f)隔膜的对比。
图6：a)三层壳NiO电极在提高LIB性能方面的优势示意图。b)三层壳NiO空心微纤维的SEM图像。c)在1A g−1下不同Fe2O3电极的循环性能比较。d) CNT/MoS2管状结构中Li+和电子的输运路径示意图。e) CNT/MoS2管状纳米杂化材料的FESEM图像。g) CNT/MoS2管状纳米杂化材料在5 A g−1下循环1000次的性能。f)具有管中线纳米结构的TiO2纳米纤维的SEM图像。h)第100次循环后的奈奎斯特阻抗图。
图7 a)多壁Sn/SnO2@C中空纳米纤维在放电和充电循环过程中的结构演变，复合材料在1 A g−1电流密度下在LIB中进行200次循环后的TEM图像。b)合成样品的N2吸附-解吸分析显示WIDWT具有最大的比面积。c) WIDWT Sn/SnO2@C在1 A g−1和5 A g−1电流下2000次循环的长周期性能。
图8：a)在10 µA cm−2电流密度下，不同材料在锂中的溶解度的电压分布图。b)在电流密度为10 μA cm−2的锂沉积过程中，不同材料在锂中的溶解度可忽略不计的电压变化曲线。c)高电流密度下Au@PHCF和Au@PHCF、Au@HCF上镀锂示意图。d)不同负极的1 mAh cm−2 LFP全电池在4 C稀释电解质中的粘附性能。
图9 a,b)具有独特的分层空心结构和功能成分，这些CC-Zn-CMFs在高CE，优越的倍率能力和长循环寿命方面表现出增强的锂金属负极电化学性能。d) Ag@CMFs上Li沉积过程示意图。e) Ag@CMFs-Li//LFP全电池在不同电流速率下的恒流充放电曲线。
图10 a)精心构建了Ti4O7/TiN/C微盘，该微盘在Ti4O7与TiN交界处具有丰富的N─Ti─O极性键，能有效吸附和捕获LiPSs，促进电子转移，从而实现吸附-捕获-转换连续过程，抑制穿梭效应。b)不同负载质量下的循环稳定性。c) Q-TiO@NC/S的机制是多尺度约束效应。d) Q-TiO@NC的SEM截面图。e) Q-TiO@NC/S电极的长周期性能。
图11 a)充放电过程中的S-CoS2-TiO2@C电极。b)前驱体纤维的SEM横截面图和核壳结构示意图，ZIF-67立方纳米颗粒完全嵌入纤维中。c)在1C速率下的长期循环性能。d) HB-Co3Mo3N前驱体纤维的SEM图像。e) S@CNTs/CoS-NSs的形成和可逆充放电机理比较。f)插图为“NJU”图案的LED灯在弯曲-不弯曲操作时，由S@CNTs/CoS-NSs-based软包装 LSBs 点亮的照片。
图12 a)具有热触发阻燃性能的锂离子电池“智能”静电纺隔膜示意图。b) TPP@PVDF-HFP微纤维的SEM图像。c)制备TPP@PVDF/SiO2/GO光纤的同轴静电纺丝工艺示意图。d) TPP@PVDF/SiO2/GO纤维的TEM图像。e)调温隔膜结构示意图。f) PCMs吸热和放热时的具体结构变化。g) PW@PAN纳米纤维的TEM图像。
来源：科技业态观察
