长春工业大学王世伟教授团队《JMCA》：电纺丝诱导发色团分子取向及其在锂离子电池中间隔膜中的应用

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通过静电纺丝技术制备纳米纤维材料是近十几年来世界材料科学技术领域重要的学术与技术活动之一。利用静电纺丝材料的纤维形貌，孔隙率均一可调，比表面积大等优势特点，使其可以广泛应用于生物医用、过滤及防护、催化、能源、光电、食品工程、化妆品等众多领域。发色团分子由于其自身的“D-π-A”结构，可以在活化状态下，通过高压电场的极化作用而发生一致取向，这种特性使其广泛应用于非线性光学膜材料。

长春工业大学材料科学高等研究院和化学工程学院的王世伟教授课题组首次将静电纺丝技术应用于发色团分子的取向，并将这种薄膜应用于锂离子电池中间隔膜中，结果显示由于取向的发色团的引入，显著增强了锂离子在薄膜中的传导率。如图1所示，典型的发生团分子DR₁在PVDF粘稠的溶液中处于活化状态，结合静电纺丝过程中高压直流电场的作用，DR₁分子发生一致取向，当溶剂挥发完全，在薄膜中，DR₁分子的取向得以固定，得到了具有取向结构的PVDF/DR₁静电纺丝纤维膜。如图2所示，通过测试薄膜锂离子电导率，可以发现，薄膜的锂离子电导率随着DR₁分子含量的增加而增强，但随着其分子浓度的增加其相容性会有所下降，通过试验发现DR₁在聚合物中2%重量比情况下薄膜电导率最高，而且静电纺丝电压越大，薄膜的锂离子电导率越大，最大值可以达到52 ms.cm^-1, 而纯PVDF同样方法制备的薄膜同样方法测试，其锂离子电导率只有3.61 ms.cm^-1。

图1 a) 为发色团DR₁和DO₂₅的分子结构示意图；b) 静电纺丝示意图；c) 锂离子在薄膜中传输过程示意图；d) 电纺丝诱导发色团分子取向过程示意图。

图2 a) PVDF/DR₁纺丝膜表面接触角随纺丝电压变化；b) PVDF/DR₁纺丝膜电导率随DR1浓度的变化；c)和d)分别为 PVDF/DR₁和PVDF/DO₂₅纺丝膜电导率随纺丝电压的变化。

PVDF/DR₁电纺丝薄膜锂离子传输增强的现象一定是DR₁分子发生取向导致的，那么一个新的问题出现了：锂离子传输增强是由于DR₁分子中分布不均匀的电子云结构（偶极结构）引起的，还是分子链两端连接的亲疏水官能团导致的呢？因此，接下来作者选用了与DR₁分子结构相似的DO₂₅重复上述试验，发现PVDF/DO₂₅电纺丝薄膜的锂离子传导率并没有提高（如图2d所示）, DO₂₅与DR₁的分子结构的区别就在于DO₂₅分子结构的两端都是疏水基团，而DR₁分子链结构的两端分别是亲水基团和疏水基团，可以推断，PVDF/DR₁薄膜锂离子传输增强的机理应该是DR₁分子取向，分子链两端的亲水和疏水官能团也随之翻转，亲水的羟基可以吸引锂离子，而疏水基团排斥锂离子，如图3所示，导致了锂离子在取向的DR₁薄膜中，不断向前吸引和交替排斥，促使了它快速地传输到薄膜另一面。而没有亲水基团的DO₂₅分子虽然也会发生取向，但确没有显著地增强锂离子电导率。

图3 PVDF/DR₁静电纺丝膜锂离子传输增强机理示意图。

该工作中，作者通过薄膜表面接触角（图2a）,拉曼光谱等表征手段证实了DR₁分子在纺丝过程中取向的过程（图4）。采用扫描电镜表征了薄膜表面的纤维形貌。

图4 PVDF/DR₁静电纺丝膜拉曼光谱图。

以上研究成果近日发表于Journal of Materials Chemistry A, 论文的第一作者是长春工业大学材料科学高等研究院和化工学院硕士研究生高立峰，通讯作者是长春工业大学化学与工程学院王世伟教授。汕头大学的段连峰教授在锂离子电池的制备与表征方面给予了很多帮助。

论文链接：

https://doi.org/10.1039/D0TA11838A

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