AFM綜述：靜電紡納米纖維材料用于鋰硫電池

DOI: 10.1002/adfm.201905467

鋰硫（Li-S）電池因其出色的理論比能量遠高于商用鋰離子（Li-ion）電池而備受關注。鋰硫電池是未來發展便攜式電子產品和電動汽車領域儲能技術的強大競爭對手。然而，多硫化物的嚴重“穿梭效應”和鋰枝晶的嚴重損傷是阻礙鋰硫電池商業化生產的主要因素。電紡納米纖維材料由于其優異的納米結構，通常表現出一些獨特的特性，可以同時解決這些問題。到目前為止，各種新型的陰極、分離器和電紡納米纖維材料的夾層被用來解決這些挑戰。

近日，天津工業大學程博聞教授＆康衛民教授團隊在《Advanced Functional Materials》（影響因子15.621）上發表綜述文章（A Review: Electrospun Nanofiber Materials for Lithium-Sulfur Batteries）。

這篇綜述介紹了各種用于鋰硫電池的電紡納米纖維材料的制備方法、結構、形貌工程和電化學性能的研究進展。本文不僅對鋰硫電池中的電紡納米纖維材料進行了綜述，還對鋰硫電池中電紡納米纖維材料的設計提出了建議。這些系統的討論和提出的方向，可以為今后優質鋰硫電池納米纖維材料的合理設計提供思路和方法。

圖1.a）典型的鋰硫電池的示意圖； b）傳統鋰硫電池中典型的放電-充電曲線。

圖2.靜電紡絲裝置由三部分組成：（i）含靜電紡絲溶液的不銹鋼針頭塑料注射器，（ii）電源，（iii）接地的集電極；通過控制各種參數（如前驅體、煅燒氣氛和噴嘴類型）獲得不同的電紡納米纖維材料。

圖3.利用電紡納米纖維材料用于鋰硫電池的獨特性能的整體示意圖，包括將電紡納米纖維材料應用于硫陰極、隔板和中間層。

圖4.用于鋰硫電池的電紡納米纖維材料的示意圖。

圖5.a）使用電紡PAN制作CNF-S電極；b）分層碳纖維/S硫復合材料合成路線的示意圖；c）通過在環境條件下靜電紡絲制成的Ar保護的Li₂SO₄@PVP織物碳熱還原法生產獨立的柔性Li₂S@NCNF紙電極的示意圖。

圖6.具有70 wt%硫的BCN@HCS/S復合材料的表征：a，b）SEM圖像，c）EDX光譜，d）TGA曲線，e，f）TEM圖像，以及g）STEM圖像和相應的元素映射；h）制備卵黃-殼碳纖維網絡的模板化靜電紡絲策略示意圖。

圖7.S/MhMpCFs復合材料的合成過程示意圖：a）靜電紡絲過程；b）PAN/PAMMA初紡纖維；c）碳化的中空微孔納米纖維；d）S包含分層多孔CNFs復合材料；e）通過將S封裝在多孔空心CNTs@CNFs中，從而形成一種新穎的C-S納米結構的示意圖。

圖8.a）通過雙噴嘴共靜電紡絲形成的三層聚合物納米纖維的形成機理； b）S-固定化活性多孔碳納米管的制造步驟示意圖；c）嵌入式激活多通道CNFs的制造步驟說明。

圖9.a-c）PCNP、S-PCNP和rGO@S-PCNP的SEM圖像，（a）-（c）中的插圖是PCNP、S-PCNP和高放大倍率rGO@S-PCNP的SEM圖像；硫和碳映射；d，e）PCNFs的SEM和HRSEM圖像，以及f，g）PCNFs的TEM和HRTEM圖像。

圖10.a，b）β-Mo₂C/CNFs的SEM和TEM圖像；c，d）β-Mo₂C/ CNFs的EDX線分析和HRTEM圖像; e）β-Mo₂C/CNFs的EDX元素映射圖像；f，g）升華的S和β-Mo₂C/CNFs/S復合材料的SEM圖像; h）β-Mo₂C/CNFs/S的EDX元素映射圖像；i）在添加β-Mo₂C/CNFs和AB之前和之后，Li₂S₆溶液的紫外可見吸收光譜。插圖是Li₂S₆/THF溶液的密封小瓶在與β-Mo₂C/CNFs和AB接觸0.5小時后的照片； j）制備MoS₂ @ N-CNFs的示意圖。

圖11.a）S/TiO₂/G/NPCFs復合材料制造工藝示意圖；b）二氧化硅/ACNFs制造示意圖；c）SVF復合材料制造步驟示意圖。

圖12.a）純S的SEM圖像，b,c）TiO₂和S-TiO₂的FESEM圖像；d）S-TiO₂的TEM圖像；e）S-TiO₂的FESEM圖像和f，g）Ti和S的相關元素映射圖；h）S/NiFe₂O₄的結構形成及制備過程示意圖。

圖13.a）靜電紡絲工藝和柔性S/DPAN/KB復合陰極的制造示意圖。b）電極配置的示意圖。c）柔性SPAN-CNT20薄膜的示意圖。

圖14. a）PAA納米纖維隔板的制備過程示意圖； b，c）AHE的合成和結構表征：基于PMMA的電紡纖維網絡的FESEM圖像（光學圖像顯示在插圖中）。d，e）AHE的示意圖架構和原子配置；f-h）AHE的化學相互作用性質表征：多硫化物與PPETEA、PP/PE和PMMA之間最穩定的吸附情況；i）E-PAN/PAA的設計流程示意圖以及對多硫化物的阻斷機理。

圖15.a）PE隔板上PEI（或PAN）/MWNT頂層的制造和結構分析。b）PVDF/PSSLi隔板的制造過程示意圖。

圖16.a-d）CNF、PCNFs-9：1、PCNFs-7：3和PCNFs-5：5的SEM圖像。插圖是高分辨率圖像。e）配置有常規隔板和功能性隔板的鋰硫電池的示意圖。

圖17.a）具有層間排列的S陰極的示意圖。b1，b2）CNFs和CNFs-T的SEM圖像；b3，b4）CNFs-T的TEM圖像以及元素碳、鈦和氧的相應EDS映射。

圖18.a）組裝的電池模型的圖示，包括在Ni泡沫表面上的ZnO納米線陣列的概念圖。b）中間層對LiPSs的物理屏障和化學吸附的機理。