鄧建輝，楊曉青，方稱輝，曹棟清，李梁君，張國慶，郭建維

（1 廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院,廣東 廣州 510006；2 廣東工業(yè)大學(xué)輕工化工學(xué)院,廣東 廣州 510006）

對可持續(xù)能源發(fā)展的探索和挑戰(zhàn)是21 世紀(jì)的主要目標(biāo)之一，人類亟需尋找基于傳統(tǒng)化石燃料的清潔、可再生和綠色能源的替代品[1]。為了滿足當(dāng)前日益增長的能源需求，近幾年來，鋰離子電池、燃料電池、太陽能電池和超級電容器等能源設(shè)備的研究和開發(fā)備受關(guān)注[2-4]。如今，為了獲得更高效的新能源材料及器件，具有可定制多功能的一維及多維納米材料可以有效地促進電池中離子擴散、電子轉(zhuǎn)移及導(dǎo)電過程[5-6]。多功能一維及多維納米材料得益于特殊的表面特性，通常具有優(yōu)異的電化學(xué)性能、熱化學(xué)性能、光學(xué)性能及力學(xué)性能[7-8]。能源材料的使用必然涉及能源的高效儲存和轉(zhuǎn)換，而具有電化學(xué)活性的納米纖維材料，其微觀多孔形貌在電化學(xué)體系中起著重要的支撐和潤濕作用，其中電極與電解質(zhì)界面的緊密接觸是保證體系中電荷轉(zhuǎn)移過程的關(guān)鍵。因此，具有獨特形貌及結(jié)構(gòu)的電化學(xué)活性納米材料，如納米棒[9]、納米纖維[10]、納米花[11]和納米線[12]等已在能源領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

目前，鋰離子電池、燃料電池、太陽能電池和超級電容器等能源設(shè)備的性能還有待進一步提高，為了延長電池的使用壽命、提高電池庫侖效率、功率密度、能量傳輸效率及性價比，需要在電化學(xué)技術(shù)上取得進一步的突破[13]。追求性能優(yōu)良的可再生能源技術(shù)促進了新能源材料的發(fā)展，尤其是綠色節(jié)能材料和先進儲能材料的開發(fā)和應(yīng)用。傳統(tǒng)的材料在長期使用過程中難免出現(xiàn)諸如電荷/離子傳導(dǎo)率、結(jié)構(gòu)尺寸、表面效應(yīng)和反應(yīng)速率等性能下降的問題，靜電紡絲/靜電噴霧制備的功能納米材料及其復(fù)合材料有望緩解甚至解決以上問題，是一種理想的新能源材料[14]。近年來，隨著對新能源材料的不斷深入研究，納米材料的性能和應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展，已擴展到各種形狀（纖維、薄膜和球體等）和結(jié)構(gòu)（實心、中空和核殼等）[15]。特種功能納米材料的制備已成為一個重要的研究領(lǐng)域，引起了廣泛的關(guān)注，其中紡絲技術(shù)是一種切實可行的合成方法，它的興起為連續(xù)納米纖維的制造帶來了一場革命[16]，靜電紡絲/靜電噴霧即是一種高效、低成本、簡便并有望實現(xiàn)工業(yè)化的材料加工技術(shù)。

靜電紡絲/靜電噴霧技術(shù)可用于制備各種一維納米纖維、二維納米薄膜和三維球體等特殊形貌。然而，靜電紡絲/靜電噴霧制備納米材料技術(shù)仍然需要改進，包括如何實現(xiàn)精確地調(diào)控納米結(jié)構(gòu)、尺寸均勻性和工業(yè)放大實驗等。目前國內(nèi)的相關(guān)綜述還比較少，本文在闡述靜電紡絲納米纖維膜制備原理、影響參數(shù)及種類的基礎(chǔ)上，主要介紹靜電紡絲/靜電噴霧技術(shù)的研究和應(yīng)用，特別是在電池領(lǐng)域的前沿應(yīng)用。

1 靜電紡絲技術(shù)簡介

從工程的角度來看，靜電紡絲被認為是聚合物溶液/熔體形成纖維膜的沉積方法，通常是在提供電場作用和收集裝置的前提下完成簡單易行的納米纖維生產(chǎn)[17]。靜電紡絲納米纖維膜具有大比表面積、高孔隙率和表面可功能化等特點[18]，在電子能源[19-21]、傳感器[22-24]、催化反應(yīng)[25-27]、過濾分離[28-30]、生物醫(yī)學(xué)[31-33]等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用（如圖1所示）。

圖1 靜電紡絲膜的應(yīng)用[19-33]

1.1 靜電紡絲技術(shù)的原理

靜電紡絲和靜電噴霧技術(shù)的原理很相似，均由帶電溶液通過電場力驅(qū)動，并收集在接收裝置，通常高濃度溶液的分子鏈段纏結(jié)度高，容易形成纖維，即靜電紡絲；低濃度溶液的分子鏈段纏結(jié)度較低，容易形成微球，即靜電噴霧[34]。靜電紡絲裝置主要由高壓供電系統(tǒng)、推進泵、注射器以及收集器等組成（如圖2 所示）。最初，將具有足夠黏度的均質(zhì)聚合物溶液填充到帶有金屬針頭的注射器中，將含有溶液的注射器正確安裝在注射器泵上，調(diào)整針頭尖端和收集器之間的距離，高壓供電系統(tǒng)提供在尖端和接地電極之間所需的電壓，利用注射泵將聚合物溶液推向針尖并形成液滴。此時，高壓作用使得液滴表面產(chǎn)生電荷，引起電荷的相互排斥，從而降低其表面張力；隨著電場強度的進一步增加，半球形液滴變得細長，并噴射形成泰勒錐[35]。當(dāng)針尖的泰勒錐完全克服液滴的表面張力，在針尖和收集器之間飛行時，其溶劑快速蒸發(fā)并以納米纖維或顆粒的形式沉積在收集器中。通常針尖液滴在移動的射流上形成彎曲不穩(wěn)定現(xiàn)象，使得它們來回擺動，而彎曲不穩(wěn)定現(xiàn)象導(dǎo)致聚合物射流的進一步拉伸，進而有助于減小纖維直徑。

圖2 靜電紡絲裝置示意圖

1.2 靜電紡絲技術(shù)的影響參數(shù)

靜電紡絲技術(shù)的主要影響參數(shù)包括溶液參數(shù)、工藝參數(shù)和環(huán)境參數(shù)（如表1 所示），通過改變這些參數(shù)可以調(diào)節(jié)最終納米纖維的結(jié)構(gòu)形貌、幾何尺寸、孔隙率和比表面積等。

表1 靜電紡絲過程的主要影響參數(shù)

溶液的電導(dǎo)率反映了射流上的電荷密度，從而反映射流在電場作用下的伸長水平。在相同的施加電壓和紡絲距離下，電導(dǎo)率較高的溶液形成的射流沿其軸線的伸長率較高，從而產(chǎn)生直徑較小的紡絲纖維[36]。使用有機酸作為溶劑或添加鹽作為紡絲溶液中電荷的載體，均可提高溶液的導(dǎo)電性，并在提高靜電紡絲的生產(chǎn)率方面發(fā)揮著重要作用[37]。另外，聚合物分子量對溶液的導(dǎo)電性、表面張力、介電性能和黏度等影響很大，能否選擇合適的高分子量聚合物溶液作為紡絲原料是靜電紡絲成功與否的關(guān)鍵因素，高分子量聚合物溶液可以提供紡絲所需的溶液黏度，因為聚合物溶液在過低的黏度下不容易被拉絲成纖維，而在過高的黏度下很難將聚合物溶液從針尖噴出[38]。適當(dāng)?shù)耐饧与妷菏菍⒕酆衔锛舛艘旱无D(zhuǎn)變成泰勒錐的必要條件。然而，當(dāng)外加電壓過高時，聚合物溶液中會產(chǎn)生過高的電荷密度，導(dǎo)致聚合物溶液迅速從針尖噴出，產(chǎn)生細小且不穩(wěn)定的泰勒錐[39]。因此，靜電紡絲過程中需要保持適當(dāng)?shù)碾妷骸⒑愣ǖ募徑z速率和合適的紡絲距離以獲得穩(wěn)定的泰勒錐。環(huán)境參數(shù)主要包括溫度和濕度等，主要影響針尖處聚合物溶液的干燥和拉伸狀況，通常靜電紡絲需在穩(wěn)定的溫度以及環(huán)境濕度低于35%的條件下進行[40]。

1.3 靜電紡絲技術(shù)的種類

與納米光刻、熔融纖化和自組裝等類似的納米纖維生產(chǎn)方法相比，靜電紡絲具有高生產(chǎn)率、低成本、廣泛的材料適應(yīng)性和一致的納米纖維質(zhì)量等獨特組合優(yōu)勢[41]。靜電紡絲原理簡單、用途廣泛、適應(yīng)性強，已衍生出各種變體技術(shù)，如熔融靜電紡絲、氣流靜電紡絲、乳液靜電紡絲、同軸靜電紡絲、多噴嘴靜電紡絲和無針靜電紡絲等，可提供多種納米結(jié)構(gòu)，如核殼結(jié)構(gòu)、管狀結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)、空心結(jié)構(gòu)、交聯(lián)結(jié)構(gòu)和顆粒包裹結(jié)構(gòu)等[42]。本文對靜電紡絲技術(shù)的種類進行了歸納和總結(jié)（如圖3所示）。

圖3 靜電紡絲技術(shù)的種類

（1）溶液靜電紡絲 是指聚合物溶液在高壓電場的作用下，克服液滴表面張力形成不斷加速、拉伸的射流，最終在接收裝置上形成無紡布狀納米纖維的技術(shù)。溶液電紡納米纖維具有密度低、比表面積大、孔隙率高、軸向強度大、均勻性好和形貌可控等優(yōu)勢[43]，可以實現(xiàn)從微米到納米尺度的纖維高效、便捷的連續(xù)制備，由于溶液靜電紡絲技術(shù)的制造設(shè)備簡單、成本低和紡絲原料來源范圍廣等特點，已成為近年來研究和應(yīng)用最多的納米纖維制備方法之一。

（2）熔融靜電紡絲 是在高溫條件下直接將聚合物熔融并靜電紡絲形成纖維的技術(shù)[44]。與溶液靜電紡絲類似，熔融靜電紡絲過程中影響纖維形成的因素有很多，包括聚合物分子量、熔體溫度、紡絲電壓和紡絲距離等。傳統(tǒng)的溶液靜電紡絲有兩個明顯的缺點：一是使用了危險溶劑，二是溶劑的快速蒸發(fā)可能會導(dǎo)致纖維表面的缺陷。熔融靜電紡絲是溶液紡絲的一種更便宜、更環(huán)保和更安全的替代方法，其主要缺點是需要一個復(fù)雜的加熱系統(tǒng)裝置[45]。另外，聚合物熔體具有較高的黏度和較低的導(dǎo)電性，使得熔融靜電紡絲制備的纖維直徑要大于溶液靜電紡絲制備的纖維直徑，這阻礙了其進一步發(fā)展。人們做出了大量努力來克服這個問題，例如使用氣體輔助[46]以及控制噴射路徑溫度[47]等方法。

（3）氣流靜電紡絲 是在普通靜電紡絲機的噴絲頭上增加氣流噴射系統(tǒng)，該系統(tǒng)可提供氣流與聚合物射流間的摩擦力的合力對射流進行拉伸，從而得到均勻的納米纖維[48]。靜電紡絲同一聚合物可使用不同種類的溶劑或溶劑混合物，當(dāng)使用混合溶劑系統(tǒng)時，其中一種溶劑應(yīng)具有高揮發(fā)性，以便于聚合物溶液的干燥和拉伸，但在低濕度的條件下，注射器針尖上的聚合物液滴會迅速干燥，難以形成泰勒錐，為了避免這種情況，氣流靜電紡絲技術(shù)允許在高揮發(fā)性溶劑中進行紡絲，并根據(jù)所需的纖維特性提高生產(chǎn)率[49]。氣流靜電紡絲不僅能制備出纖細、均勻的納米纖維，而且產(chǎn)量更高，可解決傳統(tǒng)靜電紡絲產(chǎn)量少、紡絲面積小和液滴較多等問題。

（4）乳液靜電紡絲 是將油包水（W/O）或水包油（O/W）乳液作為紡絲溶液，只需一個噴嘴即可靜電紡絲出具有核殼結(jié)構(gòu)納米纖維的技術(shù)。乳液的流變性和穩(wěn)定性被認為是乳液紡絲的關(guān)鍵因素，添加表面活性劑作為乳化劑是制備靜電紡絲乳液的常用方法，表面活性劑的種類和濃度影響著纖維的形態(tài)和性能[50]。在紡絲過程中，乳液中靠近表面區(qū)域的溶劑比聚合物射流中心部分蒸發(fā)得更快，導(dǎo)致外層的黏度比內(nèi)層的黏度增加得更快。隨后，在高壓電場的作用下，乳液液滴從表面向中心誘導(dǎo)內(nèi)移，液滴在納米纖維的軸向同時凝聚和拉伸，最終形成核殼結(jié)構(gòu)[51]。通常，乳液靜電紡絲納米纖維材料具有低毒、生物相容性好和可生物降解等優(yōu)點，被認為是該領(lǐng)域溶液靜電紡絲的替代品，可廣泛應(yīng)用在外科修復(fù)、傷口敷料、生物薄膜、人造皮膚和藥物輸送系統(tǒng)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[52]。

（5）同軸靜電紡絲 將普通靜電紡絲單噴嘴改造成由粗細不同的兩根毛細管共同組成的同軸靜電紡絲噴嘴系統(tǒng)，是另一種制備核殼結(jié)構(gòu)納米纖維的紡絲技術(shù)。紡絲過程中，核層和殼層材料分別放置在兩個不同的注射器中，由兩個獨立的推進泵分別控制推速，兩種聚合物溶液在同軸噴嘴處匯合，在高壓電場的作用下形成泰勒錐，進而拉伸、固化得到具有核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合纖維[53]。同軸靜電紡絲最大的特點是可以將黏度大的、可紡性良好的聚合物作為殼層，可紡性差的聚合物作為核層，在殼層液體帶動下核層聚合物溶液被拉伸成絲，從而提高整體聚合物溶液的可紡性[52]。

（6）多噴嘴靜電紡絲 是將普通靜電紡絲單噴嘴升級為由多噴嘴噴絲板組成的靜電紡絲系統(tǒng)，是實現(xiàn)納米纖維高效和批量制備的技術(shù)。單噴嘴靜電紡絲納米纖維具有許多優(yōu)異的性能，但缺點之一是生產(chǎn)率低。多噴嘴紡絲是改善納米纖維的直接方法，通過增加噴絲頭的數(shù)量可顯著地提高生產(chǎn)力[54]。利用多噴嘴組合的混合靜電紡絲技術(shù)是獲得增強、改性新型納米結(jié)構(gòu)材料的一種重要途徑，可以同時合成多種具有規(guī)則微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)合納米纖維[55]。然而，在紡絲過程中，多個噴嘴的帶電射流之間存在電場的相互干擾的問題[56]。利用多噴嘴陣列的布置和收集器的優(yōu)化可以解決這個問題[57]。

（7）無針靜電紡絲 是無需注射器來控制聚合物溶液的泵送，直接實現(xiàn)無針即可靜電紡絲出大量納米纖維的技術(shù)。與帶有注射器的靜電紡絲相比，無針紡絲的優(yōu)點：一是可以避免紡絲過程中聚合物流體在針頭處的堵塞；二是可以大批量、大規(guī)模地制備納米纖維[58]。單針靜電紡絲制備的納米纖維產(chǎn)量低，通常只適用于實驗室的小規(guī)模研究，極大地限制了納米纖維產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化的應(yīng)用，無針靜電紡絲的生產(chǎn)效率可以比傳統(tǒng)單針靜電紡絲（0.2g/h）高幾十甚至上百倍，例如Niu等[59]設(shè)計的圓柱形無針紡絲的產(chǎn)量可達到8.4g/h。理論上，無針靜電紡絲的生產(chǎn)效率是上述紡絲種類中最高的，因為其聚合物溶液的幾何形狀允許一次性產(chǎn)生數(shù)十到數(shù)百個噴氣絲狀物，但其需要更高的電壓來促進其紡絲的形成[60]。

2 靜電紡絲/靜電噴霧技術(shù)在電池領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 鋰離子電池

隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，鋰離子電池作為一種綠色新能源電池，具有比能量高、充電速度快、循環(huán)壽命長和安全系數(shù)高等優(yōu)點，得到了廣泛的研究和應(yīng)用。高質(zhì)量、高可靠性和高安全性的新穎電池材料的研究與開發(fā)已成為鋰離子電池發(fā)展的重點，電池的性能與其電極材料、電解質(zhì)和隔膜等密切相關(guān)。迄今為止，各種靜電紡絲/電噴涂技術(shù)的應(yīng)用促進了先進電池材料的研究和發(fā)展。

2.1.1 負極

鋰金屬負極由于安全性能和循環(huán)性能較差，逐漸被含碳材料、鋰合金和過渡金屬氧化物替代，以獲得更好的電化學(xué)性能。近年來，簡單的碳基負極材料的能量利用率較低，使得電池負極結(jié)構(gòu)設(shè)計變得更加復(fù)雜和精細，借助靜電紡絲/靜電噴霧涂成絲成膜技術(shù)可以突破相關(guān)瓶頸。Li等[61]針對鋰離子電池二氧化鈦/碳基（TiO2/C）負極容量利用率低和循環(huán)性能差的問題，通過靜電紡絲、水熱處理和碳化工藝制備了枝狀TiO2@介孔碳納米纖維（TiO2@MCNFs）（如圖4所示），作為主干支撐體的枝狀TiO2@MCNFs 復(fù)合材料具有大量暴露的納米TiO2晶格，可提供鋰離子傳輸本征晶體通道，其交織的碳納米纖維骨架具有較高的結(jié)構(gòu)完整性和機械柔韌性，枝狀TiO2@MCNFs作為負極材料具有優(yōu)異的首次放電容量（1932mA·h/g）和優(yōu)異的循環(huán)性能（100次循環(huán)后的可逆容量為617mA·h/g）。枝狀碳基復(fù)合材料獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電化學(xué)性能為開發(fā)實用型靜電紡絲氮、硫、磷和硼等雜原子摻雜的碳納米纖維負極材料提供了新的思路，如通過靜電紡絲制備硅納米顆粒修飾的氮摻雜碳納米纖維（W-Si@N-CNFs）[62]和具有開放通道的氮摻雜碳納米纖維（N-CNFO）[63]。具有高理論比容量的金屬氧化物材料也被認為是很有前途的負極材料，使用過渡金屬納米顆粒修飾來提高表面電化學(xué)反應(yīng)活性將進一步改善電池性能，如氧化鐵（Fe2O3）-碳纖維復(fù)合材料[64]、氧化錳（MnO）-碳纖維復(fù)合材料[65]、包覆高導(dǎo)電的氮化鈦（TiN）/TiOxNy層的Li4Ti5O12納米纖維[66]。此外，通過靜電紡絲制備中空的氧化鎳（NiO）納米纖維[67]和通過同軸靜電紡絲制備核殼的硅/碳基（Si/C）@CNF 無紡布[68]等特殊纖維結(jié)構(gòu)，也可顯著地提高負極材料的電化學(xué)性能。

2.1.2 正極

正極是鋰電池中主要的鋰離子（Li+）供體，也是影響鋰離子傳輸速率的關(guān)鍵因素，開發(fā)安全、經(jīng)濟、高性能和高容量的正極材料將有效地促進鋰離子電池的廣泛應(yīng)用。目前，商業(yè)正極材料（如LiFePO4）的放電比容量普遍低于200mA·h/g，成為制約鋰離子電池日益增長的高能量密度和低成本需求的瓶頸。在各種提高正極材料電化學(xué)性能的方法中，納米涂層和通過靜電紡絲技術(shù)控制納米結(jié)構(gòu)形貌已被證明是有效的方法。Min 等[69]采用高壓靜電紡絲技術(shù)和熱處理法成功地合成了花狀Li1.2Ni0.17Co0.17Mn0.5O2正極材料，這種有序的多孔花狀形貌結(jié)構(gòu)可促進鋰離子的快速擴散，組裝的鋰電池的循環(huán)放電容量可高達235mA·h/g。靜電紡絲技術(shù)這種簡單可行的合成方法為設(shè)計鋰電池正極理想的結(jié)構(gòu)提供一條有效的途徑。Wang等[70]通過“靜電紡絲技術(shù)和后續(xù)退火處理”策略合成了形貌可控的五氧化二釩（V2O5）納米結(jié)構(gòu)（如多孔V2O5納米管、層狀V2O5納米纖維和單晶V2O5納米帶），作為鋰離子電池高性能正極材料，其表現(xiàn)出高度的可逆容量和優(yōu)異的循環(huán)性能，其中多孔V2O5納米管的功率密度為40.2kW/kg，而能量密度為201W·h/kg。另外，通過摻雜過渡金屬元素也可改善電極活性材料的性能，從而提升鋰電池的電化學(xué)性能。Zhang等[71]采用靜電紡絲和熱處理相結(jié)合的方法制備了Li2Mn0.8Fe0.2SiO4/碳復(fù)合納米纖維，研究發(fā)現(xiàn)，鐵元素摻雜提高了電極材料的導(dǎo)電性和純度，碳納米纖維基體促進了離子轉(zhuǎn)移和電荷擴散，該材料作為鋰離子電池正極時表現(xiàn)出良好的可逆容量和優(yōu)異的循環(huán)性能。

2.1.3 電解質(zhì)

電解質(zhì)的主要作用是在正極和負極之間形成良好的離子傳輸通道。當(dāng)暴露在機械損傷和過充過熱等電池濫用條件下，有機液體電解質(zhì)出現(xiàn)的安全問題嚴(yán)重限制了鋰電池的實際應(yīng)用，而凝膠聚合物電解質(zhì)（GPE）被認為是替代液體電解質(zhì)以構(gòu)建更安全鋰電池的有效解決方案。目前，聚環(huán)氧乙烷（PEO）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚丙烯腈（PAN）、熱塑性聚氨酯（TPU）及其復(fù)合材料作為GPE 的聚合物基體得到了廣泛的研究和開發(fā)[72]，考慮到分解電壓、導(dǎo)電性和制備方法等因素，靜電紡絲技術(shù)在制備GPE方面顯示出獨特的優(yōu)勢。Lee等[73]采用靜電紡絲/熱交聯(lián)工藝制備了孔隙率高、熱尺寸穩(wěn)定、與液體電解質(zhì)具有良好相容性的PVDF 基靜電紡絲纖維氈，作為鋰電池的GPE，其離子電導(dǎo)率約為1.48mS/cm，具有較高的放電容量（0.2C時為136mA·h/g）和高倍率下的高容量保持率（10C和15C時分別為66%和50%）。共聚反應(yīng)和共混改性是解決靜電紡絲GPE導(dǎo)電性與力學(xué)性能相矛盾的有效手段。Kang等[74]報道了共混改性的靜電紡絲醋酸纖維素/聚偏氟乙烯（CA/PVDF）納米纖維膜作為鋰離子電池的GPE，研究表明，其組裝的電池在室溫下具有出色的循環(huán)、儲存和倍率性能，比容量達到204.15mA·h/g，嵌入鋰容量的利用率為74.94%，高于純PVDF 膜組裝的鋰離子電池（約50%）。另外，通過添加陶瓷納米粒子修飾和調(diào)整靜電紡絲工藝參數(shù)等方法，可以進一步優(yōu)化共混膜的離子導(dǎo)電性。He等[75]報道了靜電紡絲無機陶瓷納米粒子（SiO2）修飾的PVDF-HFP/TPU/PMMA 的復(fù)合共混膜，作為鋰離子電池的GPE，其離子電導(dǎo)率高達8.5mS/cm，在室溫下的電化學(xué)穩(wěn)定性高達5.9V，并且具有出色的電化學(xué)性能（首次充放電容量為168.5mA·h/g）和良好的力學(xué)性能（拉伸強度為10.8MPa，斷裂伸長率為86.4%），非常適合用于聚合物鋰離子電池。

2.1.4 隔膜

靜電紡絲納米纖維膜（單層膜、多層膜、復(fù)合膜和改性膜）具有多孔結(jié)構(gòu)、孔隙率高和比表面積大等特點，成為提高離子傳輸效率的電池隔膜理想的候選材料。聚酰亞胺（PI）作為一種綜合性能優(yōu)異的特種功能聚合物，已被開發(fā)為靜電紡絲納米纖維膜。Kong 等[76]通過靜電紡絲/熱交聯(lián)工藝制備了堅固的氟化聚酰亞胺（FPI）納米纖維膜，隔膜具有很高的機械強度（31.7MPa）、較小的平均孔徑和狹窄的孔徑分布，在防止鋰枝晶的生長和滲透方面表現(xiàn)出良好的性能，可組裝成安全可靠的鋰離子電池。結(jié)合不同纖維層的優(yōu)點，通過調(diào)控紡絲順序可制備出具有多層結(jié)構(gòu)的納米纖維膜，作為多層隔膜在機械強度、熱穩(wěn)定性和電化學(xué)性能等方面獲得更優(yōu)異的性能。Zhai等[77]通過順序靜電紡絲技術(shù)制造了具有強大機械強度（拉伸強度達到13.96MPa）和熱穩(wěn)定性的新型三明治結(jié)構(gòu)的PVDF/聚間苯二甲酰間苯二胺（PMIA）/PVDF 納米纖維電池隔膜，它具有熱閉孔功能，且該多層膜組裝的電池比商用的聚烯烴隔膜具有更穩(wěn)定的循環(huán)性能和更好的倍率性能，為高性能電池隔膜的設(shè)計和開發(fā)提供了新的思路。在靜電紡絲溶液中加入兩種或以上的有機聚合物或無機填料，制備的復(fù)合納米纖維膜是提高隔膜性能的另一種有效方法，由于不同的聚合物或無機填料具有不同的物理化學(xué)性能和電化學(xué)特性，與單一的聚合物前體相比，含有多種聚合物材料的復(fù)合膜的綜合性能得到改善。Zhao等[78]采用靜電紡絲法制備了木質(zhì)素/聚丙烯腈復(fù)合纖維膜（L-PANs），得益于L-PANs 較高的孔隙率（74%）以及良好的電解質(zhì)浸潤性，其組裝的電池表現(xiàn)出良好的倍率性能和循環(huán)性能，由于L-PANs的制備成本低且工藝簡單，可作為鋰離子電池隔膜的理想候選。為了進一步提高靜電紡絲膜的力學(xué)性能和電化學(xué)性能，還有一種有效的方法是對靜電紡絲膜進行后處理（包括對其化學(xué)結(jié)構(gòu)或表面形貌等進行改性），以便得到綜合性能優(yōu)異的改性隔膜。Shi等[79]通過靜電紡絲和浸涂法在PVDF-HFP納米纖維表面修飾生長一層薄的聚多巴胺（PDA）功能層，形成了獨特的核殼結(jié)構(gòu)（如圖5所示），其作為高安全性的改性隔膜，與純PVDF-HFP膜相比，PDA涂層PVDF-HFP復(fù)合膜不僅顯示出更高的熱穩(wěn)定性，而且還顯示出增強的機械強度和拉伸強度，由PVDF-HFP-PDA復(fù)合膜組裝的鋰離子電池具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能，并且整個反應(yīng)過程是在環(huán)境友好的水系溶液中進行的，可以滿足大型鋰離子電池的安全使用要求。

圖5 PVDF-HFP-PDA復(fù)合膜的制備流程圖[79]

2.2 燃料電池

燃料電池具有資源豐富、零排放、啟動快和效率高等優(yōu)點，被認為是解決溫室氣體、氣候變化和能源短缺等問題的合適能源裝置[80]。燃料電池能將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，主要有質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）和固體氧化物燃料電池（SOFCs）兩種，其中PEMFCs以其高能效和環(huán)境友好的特點被認為是更有前途的新能源器件。在燃料電池商業(yè)化之前，電池運行的可靠性、耐久性和制造成本等方面的障礙仍然需要克服，這些對電池系統(tǒng)的設(shè)計和工程優(yōu)化起著至關(guān)重要的作用，對電池材料的設(shè)計與先進制造更是不可或缺的任務(wù)。因此，下文主要介紹靜電紡絲/電噴涂技術(shù)在制備燃料電池雙極板、電極、催化劑和質(zhì)子交換膜等方面的應(yīng)用，以進一步提高燃料電池的電化學(xué)性能。

2.2.1 雙極板

雙極板構(gòu)成了燃料電池組的主干，其主要作用是充當(dāng)電池之間的電流導(dǎo)體，促進電池中的電流和熱的傳導(dǎo)，并為反應(yīng)性氣體流動提供管道[81]。高成本的雙極板材料是目前PEMFCs 的商業(yè)化限制[82]。為了提高雙極板的耐用性和可靠性，低成本的靜電紡絲/電噴涂先進制造技術(shù)因可制備出具有良好力學(xué)性能、良好導(dǎo)電性和抗氧化性的雙極板材料而備受關(guān)注。例如，為了解決金屬雙極板的高接觸電阻和高腐蝕問題，Barakat等[83]利用靜電紡絲技術(shù)，將鈀（Pd）修飾的鈷（Co）納米纖維制備成與硅片（Si）相連的雙金屬納米纖維膜（如圖6所示）。研究表明，碳化硅（SiC）的形成促進了雙金屬納米纖維膜與硅襯底的化學(xué)結(jié)合，導(dǎo)致更深的納米纖維與硅表面結(jié)合，從而獲得良好的接觸電阻。微觀形貌分析得知，雙金屬納米纖維被一層薄薄的結(jié)晶碳包裹，使得雙極板表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。靜電紡絲技術(shù)可為生產(chǎn)新型的功能化和化學(xué)穩(wěn)定的雙極板提供一條新的路徑，其中金屬碳化物膜綜合了石墨涂層和金屬涂層的優(yōu)勢，具有耐腐蝕、體積小、質(zhì)量輕和機械強度高等優(yōu)點，可顯著地提高金屬雙極板的性能[84]，借助靜電紡絲/電噴涂技術(shù)有望研發(fā)出一批功能齊全和性能可靠的新型雙極板。

圖6 靜電紡絲工藝流程以及Pd修飾Co納米纖維的TEM圖、HR-TEM圖[83]

2.2.2 電極

目前，傳統(tǒng)的PEMFCs電極制備方法，如貼花轉(zhuǎn)印法和催化劑涂層膜方法，已很難滿足大規(guī)模應(yīng)用的需要，而纖維材料的靜電紡絲作為電極制造的一種替代方法已經(jīng)顯示出巨大的前景。靜電紡絲主要以兩種不同的方式用于PEMFCs 電極的制造[85]（如圖7所示）：①嵌段碳或無機纖維作為貴金屬催化劑載體，首先碳或無機載體由靜電紡絲和熱解前驅(qū)體制成，然后將貴金屬進行沉積，再將纖維氈粉碎成短纖維粉末，與離聚物溶液混合，并使用傳統(tǒng)的漿料涂層/噴涂方法將生成的油墨沉積到質(zhì)子交換膜（PEM）或氣體擴散層（GDL）上；②大長徑比聚合物/顆粒纖維直接作為電極，首先將常規(guī)燃料電池催化劑粉末(例如碳載體上的鉑)與離聚物溶液、載體聚合物和溶劑相結(jié)合以形成油墨，然后將油墨靜電紡絲成纖維氈電極，促使纖維直接沉積在PEM 或GDL 上。靜電紡絲纖維電極的使用改善了PEMFCs的耐久性，增加了低催化劑負荷下的功率輸出，因此成為了人們關(guān)注的熱點。Hong 等[86]采用靜電紡絲和欠電位沉積技術(shù)制備了一種新型超低鉑的PEMFCs 電極（E-U 電極）。研究表明，E-U電極的納米纖維結(jié)構(gòu)具有高孔隙率和大比表面積的特點，可減輕催化層的氧傳遞阻力，提高了電池在高電流密度下的性能，在經(jīng)過30000次循環(huán)伏安加速穩(wěn)定性試驗后，E-U電極的峰值功率密度降解率僅為4.8%，顯示出比常規(guī)電極更好的耐久性，因此該E-U 電極在超低鉑負載量的燃料電池中顯示出巨大的應(yīng)用潛力。PEMFCs催化層的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)對膜電極組件的性能也有重要影響，通過靜電紡絲技術(shù)制備多層聚電解質(zhì)-納米纖維催化層，并將其生成的油墨噴灑到全氟磺酸型聚合物膜的相對表面制成電極材料，電極材料可實現(xiàn)成分的準(zhǔn)確控制，組裝的電池性能也表現(xiàn)優(yōu)異，在燃料電池中具有廣闊的應(yīng)用前景[87]。

圖7 兩種方式制造PEMFCs電極[85]

2.2.3 催化劑

尋找具有更高電催化活性、大比表面積、良好導(dǎo)電性和穩(wěn)定性的新型燃料電池催化劑是降低反應(yīng)活化能以及提高反應(yīng)速率的必要條件[88]。鉑基（Pt）催化劑仍然是PEFMCs 最常用的催化劑，但由于價格高和易中毒等原因，很難實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。通過靜電紡絲/電噴涂技術(shù)設(shè)計和開發(fā)各種核殼結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)和多面體結(jié)構(gòu)等新穎納米催化劑，已被證實具有很強的適用性[89]。Liu 等[90]通過靜電紡絲制備了鐵-氮-碳基（Fe-N-C）雜化桑椹狀纖維復(fù)合材料（MB-CFs），該纖維由中空的介孔碳球（HMCSs）包裹在摻氮碳纖維中而成（如圖8所示）。研究表明，MB-CFs 成功地結(jié)合了HMCSs（高比表面積和微細介孔）、碳纖維（大長徑比、高電導(dǎo)率和良好的柔韌性）以及石墨和多層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。電化學(xué)性能測試表明，該催化劑在堿性和酸性介質(zhì)中對氧還原反應(yīng)（ORR）的催化均具有優(yōu)異的活性、耐久性和選擇性，可作為燃料電池催化劑的理想備選。負載型Pt 和Pt 合金是ORR 的主要電催化劑，通過靜電紡絲開發(fā)新型多組分的鉑基催化劑，也是獲得優(yōu)異催化性能的熱點方向。Du 等[91]采用靜電紡絲和原子層沉積相結(jié)合的方法制備了摻鈮的二氧化鈦負載的鉑催化劑（Pt@Nb-TiO2）的纖維膜。研究表明，Pt@Nb-TiO2催化劑膜在強酸性條件下具有很高的穩(wěn)定性，在30000次電位循環(huán)后，催化膜的活性僅損失初始活性的10%。

圖8 MB-CFs催化劑的合成及表征90]

2.2.4 質(zhì)子交換膜

質(zhì)子交換膜（PEM）通常只占燃料電池的一小部分成本（5%～10%），但對極化損耗有很大貢獻，因此對電池的整體性能有很大影響。PEM 主要是指全氟磺酸基（PFSA）膜，其中長側(cè)鏈（LSC）-PFSA（例如Nafion）和短側(cè)鏈（SSC）-PFSA（例如Aquivion）等PFSA膜可用于PEMFCs，構(gòu)成了先進的膜材料[92]。理想的PEM必須同時保持較高的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性能、較低的吸水變形和較低的生產(chǎn)成本，從而獲得較高的質(zhì)子電導(dǎo)率和較低的氣體滲透性。因為純的PFSA 膜在燃料電池運行的過程中會遭受一定程度的化學(xué)腐蝕和機械降解，這會導(dǎo)致燃料電池因膜的破損而導(dǎo)致其使用壽命大幅降低。人們?yōu)榇颂岢隽硕喾N增強PFSA 膜的策略，其中靜電紡絲提供了一種多功能且可向上擴展的工具，用于制造多孔互連的納米纖維網(wǎng)絡(luò)作為膜的增強基體是目前最有效的對策之一。Boaretti 等[93]采用靜電紡絲和浸漬兩步法制備了纖維磺化聚醚醚酮（sPEEK）/Aquivion 的納米復(fù)合質(zhì)子交換膜，該靜電紡絲纖維復(fù)合膜與未增強的膜相比，其質(zhì)子傳導(dǎo)性有所降低，但力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性得到了顯著增強，尤其是含有交聯(lián)sPEEK 的復(fù)合膜體系表現(xiàn)出很好的力學(xué)性能和溶脹性能，同時還具有較低的導(dǎo)電性損失，因此這種機械增強型的復(fù)合膜很適合應(yīng)用于PEMFCs。此外，通過靜電紡絲技術(shù)制備多層膜（兩層及以上）可使得膜的質(zhì)子導(dǎo)電性和力學(xué)性能等各方面有著不同程度的性能改善，也是制備多功能PEM的一個重要研究方向[94]。

2.3 太陽能電池

太陽能是一種可再生的、生態(tài)友好的、可持續(xù)的、豐富的清潔能源，由此衍生的太陽能電池由于納米功能材料的興起而得到了迅速的發(fā)展。作為第三代產(chǎn)品的染料敏化太陽能電池（DSSCs）模擬了自然光合作用原理，在染料敏化劑和納米半導(dǎo)體的作用下將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，完成能量的轉(zhuǎn)化和儲存。DSSCs的電解質(zhì)、光陽極和對電極等作為關(guān)鍵部件，需要進一步實現(xiàn)生產(chǎn)工藝簡單、設(shè)備成本低、原料無毒和能耗低等目標(biāo)。隨著先進制造技術(shù)的研究和發(fā)展，纖維狀和平面狀的新型納米材料在DSSCs的電解質(zhì)、光陽極和對電極等材料中的開發(fā)和應(yīng)用引起了廣泛的關(guān)注[95]。

2.3.1 電解質(zhì)

電解質(zhì)作為電荷傳輸?shù)妮d體，對太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率起著至關(guān)重要的作用。其中，液態(tài)電解質(zhì)基DSSCs的功率轉(zhuǎn)換效率已達13%[96]，但其揮發(fā)性和易漏電等缺點限制了其進一步發(fā)展。固態(tài)電解質(zhì)壽命長、包裝簡單，但其電導(dǎo)率低以及潤濕性較差。凝膠電解質(zhì)綜合了液態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)兩者的優(yōu)勢，因此其具有良好的離子電導(dǎo)率和光電轉(zhuǎn)換效率，同時還克服了液態(tài)電解質(zhì)的使用局限性，逐漸成為DSSCs的研究熱點，但由于其傳統(tǒng)制備工藝較復(fù)雜且成本高，難以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。靜電紡絲/電噴涂制造納米纖維材料技術(shù)為凝膠電解質(zhì)的制備提供了開拓的思路。Dissanayake等[97]報道了基于靜電紡絲PAN納米纖維膜凝膠電解質(zhì)的染料敏化太陽能電池，具有厚度為9.14μm的納米纖維膜電解質(zhì)的DSSCs顯示出5.2%的最高光電轉(zhuǎn)換效率。另外，通過添加合適比例的無機填料摻雜成為復(fù)合納米結(jié)構(gòu)，可進一步對凝膠電解質(zhì)進行修飾增強改性。Vijayakumar等[98]通過靜電紡絲技術(shù)制備了摻有硫化鈷（CoS）的PVDF-HFP 納米復(fù)合膜凝膠電解質(zhì)（esCPMEs），研究發(fā)現(xiàn)，均勻分散的CoS納米顆粒增加了電荷傳輸，并促進了氧化還原對在電解質(zhì)系統(tǒng)中的擴散，其中摻有1%（質(zhì)量分數(shù)）CoS 的esCPMEs所組裝的DSSCs的光伏性能為7.34%。

2.3.2 光陽極

納米半導(dǎo)體薄膜材料，如二氧化鈦（TiO2）、氧化鋅（ZnO）和氧化錫（SnO2）等，具有比表面積大和電子轉(zhuǎn)移速度快等優(yōu)點，被廣泛用作太陽能電池的光陽極。傳統(tǒng)的制備工藝復(fù)雜且耗時，近年來，靜電噴霧法制備的功能材料越來越多，已被證明是一種具有競爭力的制備光陽極的方法[99]。Hu等[100]采用靜電噴霧和水熱后處理的方法制備了具有高比表面積和高孔容的新型層狀多孔TiO2微球，研究表明，其具有光散射和吸附染料的雙重功能，以層狀多孔TiO2微球為頂散射層制備的DSSCs的光電轉(zhuǎn)換效率高達7.2%。DSSCs性能的提高主要歸結(jié)于更好的染料吸附、增加的活性表面積以及提高的光收集效率。因此，特殊的復(fù)合材料光陽極可以加快電子在陽極上的傳輸速率，抑制光電子的界面復(fù)合以及提高電荷收集效率。Mohamed等[101]通過靜電紡絲和水熱工藝將N、氧化石墨烯（GO）和SnO2作為有效的摻雜劑組合到TiO2納米纖維（NFs）的光陽極基板中，并將其作為DSSCs 的高效光陽極。研究表明，NFs基光陽極具有高染料負載量，可通過形成寬帶隙氧化物來增強電荷轉(zhuǎn)移并減少電子/空穴的復(fù)合，其中GO摻雜為工作電極層中的電子轉(zhuǎn)移創(chuàng)造新的途徑，因此基于新型NFs的DSSCs顯示出6.18%的光電轉(zhuǎn)換效率。

2.3.3 對電極

傳統(tǒng)的鉑基對電極（CE）材料存在著成本高和耐腐蝕性較差等問題，限制了其實際應(yīng)用。為了降低生產(chǎn)成本和提高催化性能，過渡金屬氮化物、碳化物、硫化物、氧化物、碳基材料及其復(fù)合材料被認為是制備無鉑對電極的理想候選者[102]。目前，具有大的比表面積和有利于電荷傳輸/收集的多導(dǎo)電路徑的納米纖維結(jié)構(gòu)可作為有效的CE 材料而備受關(guān)注。Zhang等[103]報道了一種具有增強穩(wěn)定性的靜電紡絲硫化鐵（FeS）納米棒（FeS-NRs）（如圖9 所示）。研究表明，F(xiàn)eS-NRs 的一維納米纖維結(jié)構(gòu)賦予了其優(yōu)異的機械穩(wěn)定性并提供了具有互相串通的導(dǎo)電路徑（有利于電子向電解質(zhì)的傳輸作用），因此FeS-NRs 作為DSSCs 的對電極時，顯示出比Pt基CE更好的長期穩(wěn)定性，其功率轉(zhuǎn)換效率達到6.47%。提高CE 光電催化活性的關(guān)鍵是提高其比表面積（尤其是介孔比表面積），因此通過不同的靜電紡絲裝置設(shè)計，可得到一些特殊的納米纖維結(jié)構(gòu)，如通過同軸靜電紡絲技術(shù)制備具有空心/高介孔殼結(jié)構(gòu)的活性碳納米纖維[104]，以及結(jié)合靜電紡絲技術(shù)和原位聚合等方法制備的納米粒子摻雜的碳納米纖維復(fù)合材料[105]，均可以有效地提高對電極的轉(zhuǎn)換效率和電化學(xué)穩(wěn)定性。

圖9 FeS-NRs的合成及表征

2.4 超級電容器

電以兩種不同的方式存儲：一種是以化學(xué)能的形式存儲在電池中；另一種是直接以正負電荷的形式存儲在電容器的電極板上，稱為靜電存儲。超級電容器（SCs）作為靜電存儲的代表性裝置，其性能受許多因素的影響，如電極材料的電化學(xué)性質(zhì)、電解質(zhì)的選擇和電極的電位窗口等。因此，大量的研究工作被用于開發(fā)具有合適結(jié)構(gòu)的SCs 電極材料，以促進有效的電子傳輸和離子擴散[106-107]。SCs電極活性材料主要包括碳基材料、導(dǎo)電聚合物和金屬氧化物，其中具有納米結(jié)構(gòu)的過渡金屬氧化物因其具有較高的比容量和較長的循環(huán)壽命等優(yōu)點而逐漸成為該領(lǐng)域的研究熱點，靜電紡絲/電噴涂技術(shù)為制備低成本、高性能的金屬氧化物電極材料提供了新的思路和挑戰(zhàn)。Kumar等[108]采用靜電紡絲技術(shù)合成了四氧化三鈷（Co3O4）納米纖維，其具有較大的比表面積和較高的孔隙率，能夠快速地進行離子和電子轉(zhuǎn)移，作為非對稱SCs電極材料時，表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性和較好的容量保持率（94%），因此適合作為高性能SCs的正極材料。另外，靜電紡絲/靜電噴霧技術(shù)為利用不同元素（碳/金屬氧化物、碳/導(dǎo)電聚合物和金屬氧化物/導(dǎo)電聚合物）協(xié)同作用的復(fù)合材料提供了一種有效的方法[109]。Jeong等[110]報道了靜電紡絲PAN/環(huán)糊精（CD）衍生的分層多孔碳納米纖維（CNF）/二氧化錳（MnO2）復(fù)合材料（PMnCD）（如圖10 所示）。研究表明，使用了β-CD 的PMnCD（β）復(fù)合材料具有分層的多孔結(jié)構(gòu)，帶來了大的比表面積和孔體積，為電解質(zhì)離子提供了快速的擴散通道，并通過偽電容特性為電解質(zhì)離子提供了更高的吸引力相互作用。因此，PMnCD（β）復(fù)合電極在1mA/cm2處表現(xiàn)出228F/g的高比電容，在400～10000W/kg的功率密度范圍內(nèi)具有25.3～16.0W·h/kg 的最大能量密度，并且在水溶液中進行10000次循環(huán)后，表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性（容量保持率94%）。為了滿足當(dāng)前市場的嚴(yán)格要求，進一步提高SCs電極材料的電化學(xué)性能，尋求智能化和低成本的制造技術(shù)和策略，并結(jié)合靜電紡絲/靜電噴霧等先進制造技術(shù)，是目前新興電容器領(lǐng)域的研究熱點。

圖10 PMnCD(β)復(fù)合材料的制備及表征[110]

3 結(jié)語與展望

靜電紡絲/靜電噴霧技術(shù)為納米材料的制備提供了一種簡單有效的方法，在能量轉(zhuǎn)換和存儲領(lǐng)域顯示出巨大的優(yōu)勢，但要實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先，大規(guī)模生產(chǎn)是一個問題，目前靜電紡絲/靜電噴霧技術(shù)的研究主要集中在產(chǎn)品的特性上，通常局限于實驗室的小范圍研究。其次，如何實現(xiàn)精確控制納米結(jié)構(gòu)是另一個問題，由于靜電紡絲過程中射流的不穩(wěn)定性，很難在納米尺度上獲得完全的均勻性，這與最終紡絲產(chǎn)品的質(zhì)量密切相關(guān)。在過去的幾十年里，為克服上述問題，研究者做出了許多努力，并取得了巨大的成功。例如：①多功能化。多種聚合物如聚酰亞胺、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯硫醚等已成為靜電紡絲技術(shù)的前體。通過對實驗裝置的條件控制，可以生產(chǎn)出球形、薄膜狀、實心、中空和核殼等特殊形貌，以滿足不同的性能需求。②高質(zhì)量化。靜電紡絲過程中射流不穩(wěn)定現(xiàn)象總是存在的，且納米技術(shù)的發(fā)展仍需要精確地控制。目前靜電紡絲纖維的直徑可以精細到幾納米，當(dāng)用作過濾材料時，可顯著改善其過濾性能。③生產(chǎn)優(yōu)化。為了提高靜電紡絲的生產(chǎn)效率，研究人員提出了多種高效紡絲的策略，如多噴嘴靜電紡絲和無針靜電紡絲等技術(shù)。靜電紡絲技術(shù)的理論模型也逐漸得到了發(fā)展和改進，有望得到可實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)的紡絲工藝，通過靜電紡絲技術(shù)獲得豐富的纖維替代品有望大大減少對有毒原料的使用。④拓展應(yīng)用。利用靜電紡絲/靜電噴霧技術(shù)制備的納米纖維材料由于其優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能，不僅成功地應(yīng)用于電池領(lǐng)域，在生物醫(yī)學(xué)工程、環(huán)境保護和食品等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用和良好的前景。

未來，隨著對更高的能源密度和功率密度的需求，將引導(dǎo)人們對下一代能源轉(zhuǎn)換和存儲設(shè)備的追求，這將很大程度上依賴于材料制造技術(shù)的發(fā)展。靜電紡絲技術(shù)可用于制備多種超細納米纖維，而靜電噴霧技術(shù)可用于制備微納米薄膜以及微米/納米顆粒等特殊結(jié)構(gòu)。靜電紡絲/靜電噴霧作為新興的納米纖維制造技術(shù)，可制備具有多種不同功能和用途的納米結(jié)構(gòu)，使其擁有大的比表面積、高的孔隙率、良好的機械強度以及表面功能化等優(yōu)異綜合性能。通常，只需選擇合適的靜電紡絲工藝以及合理地控制靜電紡絲參數(shù)，即可生產(chǎn)出具有所需性能的納米纖維材料。因此，靜電紡絲/靜電噴霧技術(shù)制備的低成本、高質(zhì)量的納米材料必將會在鋰離子電池、燃料電池、太陽能電池和超級電容器等電池領(lǐng)域得到進一步研究和發(fā)展。