Adv. Energy Mater：抑制多硫化物溶解的阻燃和耐熱型隔膜用于長循環鋰硫電池

隨著電動汽車鋰離子電池（LiBs）需求的快速增長，人們逐漸廣泛關注其高比能量密度、低成本和可充電性能。人們普遍認為LiBs的安全性與高度易燃的隔膜和液體有機電解質密切相關，例如，聚丙烯（PP），碳酸亞乙酯（EC）和碳酸二乙酯（DEC）。目前，克服易燃物問題已經有大量的研究進展，雖然有效降低可燃性，但電池火災風險仍然存在，特別是對于金屬過量的鋰金屬電池。另外，這些電池是主要是傳統的LiBs（LiFePO4，LiCoO2，LiMn2O4等），仍然不能滿足新一代電池的高能量密度的要求。鋰-硫（Li-S）電池比容量高為1675 mA h g-1，有望用于下一代儲能。但是，由于多硫化物（PS）在電解質中溶解，導致充電過程中的容量快速衰減，阻礙了商業化Li-S電池的應用。實用Li-S電池的應用具有多硫化物（PS）溶解以及易燃硫和聚合物隔膜引起的嚴重安全問題。

近日，黑龍江大學李強教授和電子科技大學何衛東、熊杰教授在國際著名期刊Advanced  Energy Materials上發表題目為“A Nonflammable and Thermotolerant SeparatorSuppresses Polysulfide Dissolution for Safe and Long-Cycle Lithium-Sulfur Batteries”的文章。在這項工作中，研究者通過電紡聚丙烯腈（PAN）和多磷酸銨（APP）制備了一種有效抑制PS溶解和高溫性能的阻燃多功能鋰離子電池隔膜(PAN@APP)，用于穩定安全鋰-硫電池。由于APP中含有豐富的胺基和磷酸根，PAN@APP隔膜與PS有很強的結合作用，其中發揮強烈的電荷排斥力以抑制帶負電的PS離子和自由基傳導。此外，耐火APP在高溫下確保電池的穩定性。使用PAN@APP隔膜，Li-S電池在800次循環中的容量保持率為83％。因此，這種智能聚合物隔在穩定安全電池方面表現出潛在的應用前景。

方案1.用于Li-S電池的具有熱觸發阻燃性能的多功能電紡隔膜的示意圖。 

a）在工作中，PAN@APP作為有效的多硫化物限制劑。 

b，c）熱觸發后，APP會熔化并覆蓋電池表面隔絕空氣和熱量。

圖1. 

a）PAN（頂部）和APP（底部）的化學結構。

b）APP上Li2Sx的示意圖，以及APP和Li-S復合材料的結合能(Li2S8，Li2S6，Li2S4，Li2S3，Li2S2和Li2S)。

c）PAN@APP選定區域中的C，N和P的元素分布圖。

d，e）PAN @ APP膜SEM和橫截面的圖像。 插圖顯示了PAN@APP隔膜的數碼照片。 

f-h）PP，PAN和PAN @ APP隔膜使用雙L的滲透裝置的滲透實驗。

圖2. 

a）PP，PAN和PAN@APP隔膜的阻燃性能。 

b）不同隔膜的燃燒時間長度。

c-e）燃燒前后S-PP，S-PAN和S-PAN @ APP的寬掃XPS光譜。

圖3. 

a）PP，PAN和PAN@APP隔膜的平均熱分析圖。

b）PP，PAN和PAN @ APP隔膜在不同的溫度下Li-S電池循環性能。 

c）不同電池在120°C下的自放電行為。

d）75°C時不同電池的長循環容量。

圖4. 

a）在0.1 mV s-1下PAN@APP隔膜的CV曲線。 

b）在0.2-2C之間用PAN@APP隔膜對電池進行充電/放電。

c）PAN@APP倍率率性能。 

d）以PP，PAN和PAN @ APP為隔膜的電池在1C下的循環性能和庫倫效率。 

e）8000次循環的長期循環穩定性。 

f）具有的PAN @ APP隔膜的充電/放電曲線。 

g）高硫負載量（6mgS cm-2）時，PAN @ APP隔膜在0.51（0.05 C）至2.01 mA cm-2（0.2 C）的電流密度下的循環穩定性。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201802441