静电纺丝作为一种独特的、通用的方法，普遍用于生产聚合物、金属、陶瓷和复合材料等一维纤维材料。这些纤维在钠离子电池中广泛应用，可以作为电极、电解液或隔膜。此外，静电纺纤维可以很容易地织成薄膜，作为柔性电池的理想组件。
鉴于此，苏州大学李亮教授团队综述了静电纺丝技术在柔性钠离子电池器件制备中的主要优点和进展，并讨论了其在实际应用中面临的主要挑战。针对该领域取得的进展，提出了关于静电纺丝的几个研究方向。希望这项工作能够为未来的研究激发新的想法。相关研究成果以“Electrospinning for Flexible Sodium-Ion Batteries”为题目发表于期刊《Energy Storage Materials》上。
1 柔性电池
柔性电池的开发具有重量轻、便于携带、易于弯曲、滚动和折叠等特点，是一个快速发展的研究领域。为下一代可穿戴和便携式电子产品提供电源。为了构建柔性电池，应系统地考虑几个关键因素，例如电极配置、电解质选择、电池设计、电化学性能、安全性和维护。
图1 柔性电池的设计与组装原理图。
2 静电纺材料用于柔性钠离子电池的研究进展
静电纺丝是制备钠电池多组分(如正极、负极、电解液、隔膜等)纤维材料的一种有效方法。静电纺纳米纤维具有较大的电荷转移反应表面和丰富的电解液离子通道，大大降低了反应阻抗。
纳米纤维为电子传输提供了连续的高速通道，从而最大限度地减少了在其他材料配置中遇到的粒子间阻力。此外，纤维中的离子扩散长度也大大缩短，这是设计高功率电池的关键（图2）。因此，基于静电纺丝纤维的薄膜和纤维垫在柔性钠电池中得到了广泛的应用。
图 2. 用于柔性 SIB 的电纺纤维的主要优势。
图3静电纺纤维在插层负极材料中的应用。
图4 静电纺纤维在转化型负极材料中的应用。
图5 静电纺纤维在合金负极材料中的应用。
图6 静电纺纤维在正极材料中的应用。
3 当前静电纺柔性电池的挑战
尽管正在取得进展，但它在柔性SIB中的大规模应用尚未到来。目前还没有基于这种技术的商业电池工厂。原因主要是技术上的，如图7所示。
图7 静电纺丝柔性SIB的挑战与发展方向。
4.1 柔性电极的制备
主要的挑战可能是静电纺丝产品的质量和可靠性差，这严重损害了它们在实践中的潜力。静电纺丝过程中有几个不确定性因素影响纳米纤维的质量和可靠性，其中液滴的形成是最常见的不确定性因素。表面张力和粘弹性力的相互作用影响最终纳米纤维的可靠性，对这种相互作用的全面了解对质量控制至关重要。
4.2 能源动力提升
简单地增加操作时间以增加薄膜厚度和负载一般是行不通的。这是因为拉长操作涉及到最佳的前驱体溶液和静电纺丝参数，如电压、流量和喷丝头与收集器之间的距离。此外，厚膜往往缺乏柔韧性和机械强度。因此，增加纤维的负荷量是满足钠电极需求的先决条件。
4.3 电池弯曲性能
目前，电纺纤维的柔韧性远未达到商品化的要求。弯曲超过 180 度时性能优异的 SBC 很少。电纺纤维具有高弹性，可从收集器上分离，但由于失去柔性组件，在退火后变脆。为了获得柔性钠电极，退火纤维的脆性将成为关注的焦点，并且热加热过程肯定需要进一步优化。
4.4安全问题
安全性将是涉及静电纺丝和静电纺丝电池材料的问题之一。静电纺丝主要取决于制备前驱体溶液时使用的是有毒或腐蚀性有机溶剂。如何实现对环境无害的静电纺丝仍是一个开放性的挑战。
此外，由于纳米纤维直径小、长度短，工人和用户必须避免吸入潜在的有毒纳米纤维。在这方面，可能需要使用生物来源的可生物降解和可回收材料，以尽量减少静电纺纳米纤维对环境和人类健康的影响。在实践中，可能有必要将纳米纤维集成到产品中，以便在产品的使用或回收期间，不会被释放到大气中。
5 总结与展望
5.1 电池设计优化
为了满足未来电子设备的可穿戴性，基于电缆、纱线和管状的柔性电池似乎比袋式电池更有前途。因此，有必要开发具有机械柔韧性、可伸缩性和安全性的合适的包装材料来适应这种电池。
另一方面，从液体电解质到固体聚合物电解质的转变可以解决一系列问题，例如漏液、电极腐蚀和材料溶解。因此，电纺电解质的研究需要进一步加强，以提高其在柔性电池应用中的实用性。
5.2电池性能进一步提升
柔性SIBs的能量和功率密度仍然落后于商业LIBs。要获得更高的能量，使用高容量电极材料将是关键点。有机电极材料因其合成过程温和、成本低、资源丰富、理论能力强等特点，有望得到越来越多的关注。超细纤维对于构建高功率钠离子电池至关重要，对基础研究和工业部署都很重要。此外，除了重量容量外，还应考虑电极的体积和面积容量以适应柔性设备的尺寸要求。此外，电纺钠金属电池和钠硫电池也将是未来的研究方向。
5.3 对电化学过程的深入理解
电化学充放电是一个多阶段的过程，受多种因素的影响。深入了解这个过程是其设计和优化的先决条件。在这方面，原位光学和显微技术为固体电解质界面的形成和电极结构的演变提供了有价值的见解。此外，理论建模和模拟为理解电化学过程提供了更好的图像。为了加速可穿戴电子产品的发展，全面了解柔性电池的机械和电化学行为具有重要意义。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.12.022
