多孔介质尤其是纤维介质对于各种各样的技术是必须的，从传统的过滤膜到生物医学应用和先进的电化学系统。静电纺丝是一种制备纤维介质的方法，它主要的吸引力除了所需设备简单外，是方法的可调性。允许产生从几十纳米到几微米的具有多种形态的纤维。在电化学方面，电纺材料被应用在一系列装置中，例如锂离子电池隔板。这些垫子可以碳化以产生电用作锂离子电池阳极的导电材料，和气体扩散层聚合物电解质膜燃料电池。最近，碳化电纺垫用作流动电池中的流动电极。流动电池提供了一个潜力由于它们的可靠性，相对便宜和简单组件，以及电源的去耦(由电池大小决定)和能量(由电解液存储容量)，这使得它们可在许多不同系统的需求。

　　加拿大滑铁卢大学的Jeff T. Gostick教授和麦吉尔大学的学生Matt D. R. Kok通过X射线断层扫描研究了碳化静电纺丝纤维的结构非均质性对液流电池电极的的影响，成果于2018年1月发表在small上。

　　静电纺丝制备的流动电池电极使用X射线计算机断层扫描(CT)成3 D图像。各种计算方法和模拟应用于图像以确定孔隙率、纤维尺寸、孔径分布、材料渗透性和流量分布等性能，模拟在材料碳化前后进行并在测定其对内部组织和材料性能的影响。研究发现堆积的纤维尺寸在整个静电纺丝过程中不断变化，结果也表明纤维材料表面在碳化过程被最严重地改变，材料其余部分保持完整。压力驱动流采用晶格波尔兹曼方法建模计算，与实验结果吻合较好。模拟与材料分析还表明水流的高度异构性，大部分水流集中在孔隙率高的区域，孔隙率低的区域屏蔽其他孔隙，并使它们失去流动。

　　图1和2分别显示了纺丝原液中聚丙烯腈(PAN)浓度为12和13 wt%的碳化材料的3D体积虚拟正交切片，3D体积由X射线CT产生。

　　二进制数据集的3D表示法如图3所示，这些数据集在所呈现的建模中使用。图4显示了在整个结果和讨论中域的建模和分析的一个示例。轴的方向在整个分析中保持一致，轴的平均值表示沿该轴移动的值的平均值。用空间变量分析结果对理解这些材料的行为是必不可少的。向现有纤维的顶部连续地添加纤维到以形成垫，垫随着过程的进行而增长。性质沿厚度(z)方向的变化是由静电纺丝条件的改变引起的，另外两个方向( x和y )可以组合在一起作为“面内”。 这些方向上性能的分布只与静电纺丝过程的随机性和旋转滚筒收集器或线性运动针头的移动有关。

　　图5 (左)显示了12 wt%电纺材料碳化前的纤维直径分布，样品体积并不是完美的立方体，因此是不同尺寸的全长不平等。静电纺丝产生纤维尺寸相对一致，纤维直径在通过平面方向上稍有变化与平面内方向相反。图5 (右)显示，碳化后纤维直径在平面内保持相对恒定，但是通过材料厚度的变化不是恒定的。

　　图6显示了13 wt%电纺纤维直径分布，由于纺丝过程中的不可控变化，导致纤维直径在平面上持续减小而的。不清楚碳化为什么在两个样品中没有相同效果。一个可能的解释是13 wt%的材料在碳化期间显著地压缩，压缩中可能降低不均匀性。

　　图5和6还表明碳化过程不一定导致纤维直径的降低。在12 wt %和13 wt %的情况下，碳化材料遵循总体比例，电纺材料的形状相当紧密，排除一些边缘效应。

　　本文证明了X线CT捕获大范围微结构细节的能力，以获得复杂结构对流动行为影响的信息，代表了解和模拟流动电池电极中发生的传输过程并进一步优化制造的重要一步。

　　文章信息：Matt D. R. Kok, Rhodri Jervis, Dan Brett, Paul R. Shearing, and Jeff T. Gostick*, Insights into the Effect of Structural Heterogeneity inCarbonized Electrospun Fibrous Mats for Flow BatteryElectrodes by X-Ray Tomography， Small, 2018, 14, 1703616