近日，厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院郑高峰副教授团队针对批量制备具有阻燃热关闭功能的芯壳型锂离子电池隔膜开展研究。本文创新性地对芯壳纤维的热变形过程进行了模拟，分析了具有最佳阻燃性和热停机性能的芯壳比，此外，采用护套聚焦多喷嘴共轴静电纺丝实现了TPP@PVDF的批量制备。相关工作以“Coaxial electrospun core-shell lithium-ion battery separator with flame retardant and thermal shutdown functions”为题发表于国际重要期刊《Materials Chemistry and Physics》(影响因子4.778，JCR3区)。
锂离子电池具有单位容量储能量大、温度窗宽、充放电循环寿命长等优点，在储能市场上处于领先地位。隔膜是确保电池安全的关键部件。然而，商用聚烯烃隔膜的热稳定性和可燃性较差，对其安全性能构成了严重威胁。因此，在不降低电化学性能的情况下，提高电池分离器的安全性具有重要意义。静电纺丝技术是制备纳米纤维隔膜的常用方法，由于其原料来源广泛、制备简单、成本低而受到人们的广泛关注。但是，由于静电纺丝射流之间的干扰，具有核壳结构的高性能锂电池分离器的稳定、可控、批量制备仍然非常困难。
研究者以聚偏氟乙烯（PVDF）作为外壳、磷酸三苯酯（TPP）作为核芯，通过同轴静电纺丝技术制备了PVDF@TPP同轴核壳纳米纤维(图a)。并使用Fluent模拟研究了阻燃封装ECSFM在高温下的相变(图b)，优化了具有热关闭和阻燃快速释放能力的ECSFM的壳层与芯层的比例，并将最佳比例的壳层和芯层同轴纤维隔膜与鞘气聚焦。研究发现，引入鞘气可以有效解决喷头间的射流影响，我们设计了多喷头同轴静电纺丝装置以实现核壳纤维的批量制备，纤维隔膜的产量也大大增加，相比于单针头(0.15g/h)增加至(3.21g/h) (图c)。实际应用中，通过批量制备的核壳纤维隔膜相比于商业隔膜更能提升锂电池的寿命和循环稳定性(图d)。本工作为快速优化阻燃封装核壳纳米纤维的热关机性能提供了一个简单的策略，并为核壳纳米纤维的高效批量制备提供了指导，这将大大促进了安全高效的静电纺丝电池分离器的商业应用。
同轴静电纺丝批量制备核壳纤维隔膜研究
厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院郑高峰副教授为论文第一作者，厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院刘益芳副教授为论文通讯作者，研究工作得到了厦门理工学院李文望教授、王翔副教授、姜佳昕老师的指导，参与论文研究工作的还有厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院研究生曾紫悦、邵尊桂、沈锐敏、李浩男。本研究工作得到了国家自然科学基金项目(52275575)，福建省科技计划项目(2020H6003,2021J011196,2022H6036)，广东省自然科学基金(2022A1515010923,2022A1515010949)，福建省中青年教育科研项目(JAT220338)等资助和支持。