エレクトロスピニングは、一次元ナノファイバーを調製するための迅速かつ簡単な方法です。

エレクトロスピニング装置には、シリンジ、高電圧電源、コレクターが含まれています。このうちシリンジは口金として金属針を使用しています。典型的なエレクトロスピニングプロセスでは、ポリマー溶液がシリンジに注入され、シリンジポンプを通って紡糸口金に入り、表面張力の影響を受けるペンダント液滴を形成します。紡糸口金とコレクタの間に高電圧が印加されると、液滴表面の静電反発により液滴が伸長し、円錐構造、すなわちテイラーコーンを形成します[12]。印加電圧が臨界値に達すると、静電反発力が表面張力に打ち勝ち、液体ジェットが紡糸口金の先端から噴射されます。このプロセスの間、液体ジェットは静電反発力によって継続的に引き伸ばされ、その直径は数百または数十ナノメートルに縮小します[13~15]。典型的なプロセスでは、液体ジェット内の溶媒が蒸発し、固化したポリマー繊維がランダムに配向した不織マットを形成します。エレクトロスピニングされたナノファイバーの直径 (R) は、調製パラメータ (流量 Q、電界強度 E、電流 I、紡糸口金とコレクター間の距離 D、前駆体溶液の密度 ρ) によって決まります。 Spivak et al. [16,17] は、エレクトロスピニングされたナノファイバーの粒子サイズを分析するためにモデル R = (ρQ3 ) 1/4 · (2IEDπ 2 ) –1/4 を使用しました。

(1) 構造制御の実現

(2) インターフェースの安定性の向上

(3)導電性の向上

(4) 体積膨張効果の緩和

(5) 複合材料設計の実現

これらの利点は、リチウムイオン電池のサイクル寿命、レート性能、エネルギー密度の向上に役立ち、高エネルギー密度のエネルギー貯蔵システムにおけるシリコンカーボンアノード材料の適用を促進します。

エレクトロスピニング技術を通じて、シリコンのナノ粒子またはナノワイヤーをポリマー溶液と混合して、ナノファイバーまたはナノワイヤー様の構造を形成することができます。この構造は比表面積と電気伝導率が高く、リチウムイオンの挿入および脱離プロセスを容易にします。

ナノ材料には、カーボンナノファイバー-シリコン複合材料、シリコンナノクラスター、シリコンナノファイバー、シリコンリッチナノファイバー構造、カーボンマトリックス中に超微細なSiO2ナノ構造ドメインを有する複合材料、シリコン-カーボンナノファイバー構造を有するハイブリッドアノード材料などが含まれます。

これらの材料は、均一な分布、高容量、サイクル安定性、および優れた電気化学的性能の特性を備えており、潜在的な応用の見通しを示しています。

エレクトロスピニングプロセス中に、シリコン粒子を炭素材料の内層で包み込むことによってコアシェル構造が形成されます。この構造はシリコン粒子に保護層を提供し、シリコン材料と電解液の間の相互作用を低減するため、電池のサイクル寿命が向上します。

ハイブリッドファイバー（SiNP@C）（ハイブリッドファイバー（SiNP@C））、二次炭素被覆複合ナノファイバー（CNFs/Si@C）、シリコン/カーボン@カーボンナノファイバー（Si/C@CNFs）、フレキシブル窒素ドープシリコン/カーボン ナノファイバー (SC-NF) アノード材料、シリコン@還元酸化グラフェン/カーボン ナノファイバー (Si@rGO/CNF)複合材料、SiOx@TiO2/C ファイバー、二重層カーボン保護同軸コアシェル構造材料、Fe/Fe3C 改質カーボンナノファイバー被覆 Si ナノ粒子 (Fe/Fe3C-Si@CNFs) コアシェル複合材料、Si@NiO @CNFs アノード材料、Si@SiOx/CNFs フレキシブル複合フィルム。

コアシェル構造と導電ネットワークの設計により、シリコンカーボンナノファイバーはシリコン粒子の体積膨張と収縮を効果的に緩和し、バッテリーサイクル中の容量低下を低減します。このナノファイバー材料は優れたサイクル安定性を示し、高い容量維持率とサイクル寿命を維持することができ、リチウムイオン電池の信頼性に対する重要な保証を提供します。

溶液濃度、紡糸電圧などのエレクトロスピニングのパラメーターを調整することにより、多孔質シリコン-炭素複合ナノファイバーを調製できます。 多孔質構造により活物質の表面積が増加し、リチウムイオンの拡散経路が増加するため、電池容量とサイクル性能の向上に役立ちます。

ナノミクロポーラスシリコンファイバー（m-SiNF）、ナノシリカ/ポーラスカーボン@ポーラスカーボンナノファイバー（Si/C@PCNF）、ナノシリカ/ポーラスカーボンナノファイバー（Si@HPCNF）、カーボンコートシリコンポーラスカーボン複合繊維(メソポーラスカーボンを構築するための犠牲テンプレート (ZIF-8))、PSi@SPCF 複合材料、50Al-50Si 合金シリコンアノードストリップ、Si@PCNF ハイブリッド材料

多孔質構造を作成することにより、より多くの空間を提供して体積膨張を軽減し、電解質の浸透性を高め、イオン輸送を促進することができます。同時に、保護マトリックスの導入により、追加の機械的サポートと電子伝導が提供され、電極材料の破損や分離が防止されます。多孔質構造と原子ドーピングの最適化により、電極材料に対する体積変化の影響を軽減し、シリコンベースの電極の電気化学的性能とサイクル安定性を向上させることに成功しました。これは、持続可能で安全な電極の開発にとって非常に重要です。効率的なエネルギー貯蔵技術。