鋰離子電池的負極作為電池結構的重要組成部分，其性能的好壞決定了電池性能的優劣。商業化鋰電池負極以碳材料為主，但碳材料的理論比容量低、首次充放電效率低等特點制約了電池性能的進一步提升，因此，儲量豐富、成本低廉、儲鋰比容量強、嵌鋰電位較低的硅(Si)材料被視為新型負極材料的優選。不過隨著研究的深入，Si作為負極材料存在如下問題：體積變化大（約400%）、固體電解質膜(SEI)形成不穩定以及導電性差等，如何解決上述問題成為備受關注的研究重點。

研究者采用多種技術手段，如高能球磨法、氣相沉積法、溶膠-凝膠法和金屬熱還原法等來解決Si材料的問題，隨著研究的逐漸深入，靜電紡絲技術在LIB領域的應用也逐漸展開。靜電紡絲技術相較于高能球磨法、氣相沉積法等幾種技術，具有原理簡單、操作方便及制備成本低等優點，逐漸成為電池材料構筑方面較為常用的方法。

靜電紡絲技術的原理及應用

靜電紡絲技術是在高壓電的作用下，使得聚合物溶液或熔體進行噴射、拉伸從而形成納米纖維的方法。納米纖維具有直徑小、比表面積大、孔隙率高及易于實現 表面功能化等優點。制備納米纖維的技術有許多，其中靜電紡絲技術是唯一可以連續制備纖維的方法。目前，靜電紡絲技術已逐漸應用于生物醫療、食品工程、催化、過濾等多種工業領域中。在電池領域，尤其在LIB硅基負極材料結構構筑方面，靜電紡絲技術的應用也極為廣泛。

硅/碳復合材料的結構構筑方向

結合硅和碳材料各自的優缺點，構成硅/碳復合材料是目前研究的方向之一，新型的復合材料既解決了Si的體積膨脹和導電性差的問題，又解決了碳的儲鋰容量低的問題。目前硅/碳復合負極材料的結構構筑主要集中于硅/碳纖維結構、硅/碳核殼結構、硅/碳蛋黃蛋殼結構、硅/碳多孔結構等。

1.硅/碳纖維結構

一維納米結構包括納米線、納米纖維等，二維的納米結構包括納米薄膜、納米帶等，三維納米結構包括納米纖維管、納米纖維體等。在LIB硅基負極領域，研究者利用不同維度的納米纖維結構，通過制備硅/碳復合材料來進一步提升硅基負極材料的電化學性能。可采用靜電紡絲技術制備Si/C納米纖維膜。

Si/C納米纖維膜示意圖

通過靜電紡絲技術制備納米纖維網絡狀Si/C復合材料，可有效提高Si的導電性，限制Si的體積膨脹。

2.硅/碳核殼結構

硅顆粒暴露于纖維表面會不可避免地與電解質接觸，降低電池的循環性能。為此，可設計一種Si作為核、碳作為殼的核殼結構，使得Si被碳層所包覆。碳層可以限制Si的體積膨脹，防止電極被破壞；可阻止Si與電解質直接接觸，抑制充放電過程中的各種副反應，利于形成穩定的SEI膜；碳作為導電基質也可提高材料的導電性。可采用碳包覆結合靜電紡絲技術制備的具有核殼結構的Si/C纖維膜。

具有核殼結構的Si/C纖維膜

3.硅/碳蛋黃蛋殼結構

核殼結構的硅/碳材料易在循環過程中發生殼層的破碎，導致硅顆粒和電解質直接接觸，進而影響材料整體的性能。為了解決該結構存在的問題，研究者提出了蛋黃蛋殼結構的改進策略。蛋黃蛋殼結構與核殼結構的最大區別在于碳殼層與 Si顆粒之間存在一定的空隙，可為Si的體積膨脹提供緩存空間，保證碳殼不會因Si的體積膨脹而破碎；同時介孔碳層為Li⁺提供了反應通道，提高了Li⁺的傳輸效率。

為了能夠獲得蛋黃蛋殼中的空隙結構，可采用化學刻蝕、氧化反應及鎂熱反應等技術與靜電紡絲相結合制備LIB硅基負極。

兩種不同類型的蛋黃蛋殼結構的制備流程圖

4.硅/碳多孔結構

納米纖維多孔隙的結構可為Si顆粒提供一定的儲存空間；多孔隙的結構可促進 Li⁺快速地嵌入和脫出，提高電化學反應速率；多孔隙結構類似纖維網膜，相較于傳統的薄膜結構具有機械結構性能穩定的特點，可限制Si的體積變化，避免因體積變化造成電極破壞。可利用靜電紡絲技術制備多孔納米纖維。

多孔納米纖維SEM圖

4.硅/金屬復合材料

在硅基復合負極材料研究中，除與碳材料復合外，Si和一些金屬材料的復合也是 研究的熱點。硅/金屬復合材料是向硅基材料中加入金屬元素來改善負極材料的電化學性能。金屬材料良好的延展特性可緩解Si在嵌脫過程中體積變化的問題；其次，金屬材料具有良好的導電性能，可改善硅導電率低的問題。

目前，可復合的金屬材料分成兩大類：①與鋰不反應的惰性金屬，如Cu、Fe、Mn、Ti和Ni等；②與鋰脫嵌反應的活性金屬，如Mg、Ca、Sn、Al和Sb等。

一些研究人員利用金屬良好的機械延展性和導電性能，將金屬元素加入到硅基復合材料中，使用靜電紡絲技術制備出硅/金屬復合負極結構應用于電池中。

不論單金屬元素、金屬氧化物還是多金屬混合材料，通過靜電紡絲技術將富含金屬的材料紡制到納米纖維中構成LIB負極材料已成為常用的技術手段之一。

總結

靜電紡絲技術結合其他先進技術制備不同結構（纖維、核殼、蛋黃蛋殼和多孔等）的硅基復合材料，利用其優良的物理特性可有效限制Si的體積膨脹，利于形成穩定的SEI膜；碳、金屬等具有良好導電性材料的加入，緩解了Si的導電性差的 問題。靜電紡絲技術在LIB領域的廣泛應用，為解決硅基材料存在的問題提供了一種有效的方法。現階段商業化、規模化和高效率的 LIB 負極材料還處于基礎研究階段，靜電紡絲技術在該領域的應用仍需深入探索。實現靜電紡絲技術的高效率、有序性和數字自動化紡制將會是現階段以及未來一段時期研究的重點和方向。靜電紡絲技術擁有極佳的發展和應用前景，未來定會成為現代化工業生產中不可或缺的技術手段。

參考來源：

1.靜電紡絲技術在鋰離子電池硅基負極結構的應用進展，王振秋、張猛、張佃平（微納電子技術）；

2.鋰離子電池硅-碳負極材料的研究進展，米宏偉、吳雙泉、朱培洋（材料導報）；

3.硅/碳復合納米纖維的制備及其儲能性能研究，張超然（上海交通大學）；

4.鋰離子電池硅基負極材料研究與進展，郝浩博、陳惠敏、夏高強（電子元件與材料）。

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