纳米材料在电池方面的应用

1.燃料电池

1.1 纳米纤维在燃料电池中的应用

在燃料电池中，纳米纤维主要可以应用于气体扩散层（GDL）、催化剂或催化剂载体、电解质膜。

                                                        PEFC单电池结构

1.1-1.气体扩散层（GDL）

①气孔率高，比表面积大  →  增加气体与电极反应界面的接触面积，有利于反应气体在电极中的充分扩散，提高电化学反应效率。

②微细的三维网络结构  →  构建连续且互连的传质通道，实现反应气体的均匀分布与高效输送。

③可控的气孔尺寸与孔结构分布  →  优化气体扩散与液水迁移路径，同时兼顾气体供应与水排出需求。

④排水性能的显著提升  →  降低液态水在气体扩散层中的滞留，改善高电流密度状况下的运行稳定性。 

1.1-2.催化剂或催化剂载体

①比表面积大  →  有利于催化剂活性位点的充分暴露，提高电化学反应效率*（如氧化还原反应）

②网络结构  →  有利于贵金属催化剂均匀分散，减少团聚，提高催化利用率并降低贵金属用量。

③多孔构造  →  促进反应物传输，有利于氢气、氧气以及反应物（水）的扩散，改善电极反应速度。

④通过碳化和引入导电组分，可形成连续的电子传输通道，有利于电子的快速传导，降低电极内阻。

1.1-3.电解质膜 

①多孔结构和可调取向性  →  有利于质子在膜内快速迁移，提高离子电导率。

②良好的机械性能  →  将纳米纤维作为增强骨架，可显著提高电解质膜的机械强度，尺寸稳定性和耐久性，一致膜的膨胀和破裂。

③优异的水管理性能  →  纳米纤维结构有助于保持适当的含水量，在保证质子传导的同时，避免过度积水或干燥。

2.锂离子电池

                                     锂离子电池的基本构造

2.1 纳米纤维在锂离子电池中的应用

在锂离子电池中，纳米纤维主要应用于隔膜、正极材料、负极材料、电解液。

2.1-1.隔膜

①耐热性的提高（纳米材料的结构效应）  →  与传统的聚乙烯（PE）等材料相比，采用PVDF、PA等耐热性树脂，可在200°C的高温环境下保持形状，从而开发出能够防止热失控的隔膜。　　

②离子导电性的提高  →  纳米纤维无纺布具有较高的孔隙率，可增加电解液的保持量，使锂离子能够更加顺畅地移动。

2.1-2.正极材料

①将LFP等活性物质制成纳米纤维结构，可优化电子和离子的传输路径，从而提高电池容量。

2.1-3.负极材料

①将纳米材料做碳化处理，制成碳纳米纤维（CNF）用于负极材料，可提高导电性，实现充放电的高速化。

②离子传导的控制  →  将含有TiO₂、SiO₂ 等亲锂性材料的纳米纤维膜布置在负极表面，可使锂离子均匀扩散，抑制枝晶的生长。

③与电解液反应的控制  →   在电极表面设置纳米纤维保护层，可抑制电解液的过度分解，诱导形成薄而稳定的 SEI 膜。

2.1-4.电解液

作为凝胶聚合物电解质的骨架

①高保持能力  →  纳米纤维具有较大的比表面积和较高的孔隙率，能够像海绵一样保持大量电解液。

②防漏液与安全性  →  通过将液体固定为凝胶状态，即使发生破损的情况下，电解液也不宜泄露，从而提高安全性。

3.全固态电池

                                    全固态电池的基本构造

3.1 纳米纤维在全固态电池中的应用

在全固态电池中，纳米纤维主要应用于固态电解质、电极与电解质的界面构造、复合正极骨架的结构。

3.1-1.固态电解质（纳米纤维层）

①离子传导路径的优化  →  在纤维内配置离子导体，形成三维连续网络，从而提高锂离子的迁移效率。兼顾柔韧性与机械强度：将硬脆的无机类（如氧化物类）电解质保持在柔软的聚合物纳米纤维中，或与聚合物复合，可制备不易破裂且薄的电解质层。

②薄膜化  →  通过叠加均匀的纳米纤维，可以形成几十微米厚的薄电解质层，从而提高电池整体的能量密度。

3.1-2.电极与电解质的界面构造

用于解决全固态电池最大的问题——“固体之间的接触（界面电阻）”。

①复合电极  →  将含有正极或负极活性物质的浆料渗透并复合到通过静电纺丝制造的电解质纳米纤维网中，从而显著增加接触面积，使离子的传递更加顺畅。

②一体化制造  →  近年来，也有研究采用静电纺丝（或静电喷雾）将正极、固体电解质和负极连续堆叠的手法，并对提高层间密着性进行了各种尝试。

3.1-3.复合正极骨架的结构

①三维共连续结构  →  通过在静电纺丝形成的纳米纤维间隙中填充正极活性物质（如NMC等），形成活性物质、固体电解质和导电助剂三者紧密接触的“共连续结构”。

②多孔纳米纤维支架  →  首先通过静电纺丝制作类似无纺布的“支架”，然后将含活性物质的浆料渗入其中。这样可以在充放电时吸收活性物质的体积变化，同时保持接触，形成柔性骨架。

优点：

降低界面电阻：将固体之间的点接触转变为“通过纤维的面/线接触”，可大幅减少全固态电池最大的问题——界面电阻。

提升能量密度：由于骨架本身易于制成薄膜，可以控制电池整体厚度，从而提高能量密度（Wh/kg）。

赋予柔性：不同于单独的硬质陶瓷电解质，通过纤维结构可以实现抗弯曲和抗冲击的电极构造。

⭐研究实例

Ping等研究者为了改善锂硫磺电池的课题问题，进行了不需要 导电碳和粘合剂的独立电极的制作。

通过静电纺丝法制造的纳米纤维将混合在溶液中的纳米粒子均匀的嵌入其中，使得导电性能提高。 再加上柔韧且弯曲状态下也具有良好的机械

特性，被应用于柔性电池电极的制作。

除上述领域外，纳米纤维还被应用于各种领域和用途中，许多大学和企业中都在进行相关的研究，因此 可以预见纳米事业会有进一步的发展。