DOI: 10.1002/cssc.202100568
鋰-硫（Li-S）電池是下一代儲能系統的有希望的候選者，然而其商業化主要受到多硫化物穿梭和不可控制的鋰枝晶生長的阻礙。在此，研究者設計并制備了一種蛋白質基Janus隔膜，以抑制穿梭效應和枝晶生長，同時促進Li+傳輸。鋰金屬保護層是一種具有高離子電導率和良好Li+親和力的蛋白質/MoS2納米織物，因此能夠使Li+通量均質化并促進Li+傳輸。多硫化物捕獲層是一種導電蛋白納米織物，能夠與多硫化物發生強烈的化學/靜電相互作用。通過集成的靜電紡絲方法將這兩層結合在一起，從而產生堅固的一體Janus隔膜。結果表明，長壽命的對稱Li?Li電池（>700h）具有穩定的循環性能。更重要的是，所得Li-S電池的電化學性能大大提高，包括出色的倍率性能和顯著的循環穩定性（在0.5A/g下循環500次期間，每個循環的衰減率為0.063％）。這項研究證明了Janus隔膜結構可有效解決Li-S電池的穿梭效應和枝晶生長問題，并拓寬了靜電紡絲在電化學領域的應用。
圖1.用于Li-S電池的Janus蛋白基NFs的示意圖。（a）通過集成靜電紡絲方法制備Janus蛋白基NFs。（b）比較使用不同隔膜的多硫化物穿梭和Li枝晶生長情況。
圖2.明膠對MoS2剝落和分散穩定性的影響。（a）通過明膠剝落MoS2的過程示意圖。（b）MoS2和MoS2/明膠分散體穩定性的數碼照片。（c）–（d）含或不含明膠的MoS2分散體的光學顯微圖像。（e）–（f）含或不含明膠的MoS2分散體的TEM圖像。
圖3.明膠和明膠/MoS2 NFs的離子電導率和潤濕性比較。（a）明膠/MoS2 NF的SEM圖像。插圖為TEM圖像。（b）離子電導率比較。（c）接觸角隨時間的變化。
圖4.鋰電鍍/剝離行為。（a）-（b）配備不同隔膜的對稱Li?Li電池在0.5 mA cm-2下的電壓曲線。（c）–（d）5和15個循環后對稱電池的奈奎斯特圖。（e）–（g）配備不同隔膜的電池中循環鋰金屬的SEM圖像。
圖5.Janus隔膜的形態、力學性能和多孔結構。（a）導電明膠NF的SEM和（b）TEM圖像。（c）柔性Janus隔膜的照片。（d）集成Janus隔膜和壓縮兩層（導電明膠NF和明膠/MoS2 NF）的拉伸應力-應變曲線。（e）Celgard?和Janus隔膜的孔隙率和電解質吸收。
圖6.帶有Janus隔膜的Li-S電池的電化學性能與同類電池進行比較。（a）–（b）在0.01-1MHz頻率范圍內，帶有不同隔膜的新鮮Li-S電池在放電狀態下的電化學阻抗譜。實線表示擬合結果。（c）掃描速度為0.1mV/s時具有不同隔膜的Li-S電池的CV曲線。Li-S電池在（d）0.1A/g和（e）0.5A/g下的充放電曲線。（f）Li-S電池的倍率性能。（g）Li-S電池在0.5A/g的電流密度下的循環性能。
圖7.Janus隔膜對鋰金屬保護和多硫化物捕獲的影響。從配備（a）原始Celgard?隔膜和（b）Janus隔膜的循環Li-S電池中拆解的鋰負極的SEM圖像。從由（c）導電明膠NF和（d）明膠/MoS2 NF組成的循環Li-S電池中拆解的Janus隔膜的SEM圖像。（f）數碼照片顯示多硫化物在由Celgard?隔膜（左）和Janus隔膜（右）隔開的系統中的擴散過程。
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