吉林大學張冬：具有MnS親硫位點的電紡碳納米纖維可作為高性能寬溫度范圍Li-S電池的聚

DOI: 10.1039/x0xx00000x

鋰硫電池具有理論容量大、能量密度高等優點，被認為是一種很有前途的儲能材料。此外，高重量能量密度使得鋰硫電池更適合作為高空無人機和航天飛行器等設備的電源。對于這些應用，電池應具有較低的自放電和較寬的溫度范圍。在本文中，吉林大學張冬教授團隊將碳納米管納米纖維引入到鋰硫電池中作為柔性夾層，通過物理抑制、化學吸附和轉化促進協同作用，減少穿梭效應和加速反應動力學。電池的自放電明顯減弱。在20個循環后的150小時內，電壓保持在2.37 V。對于2 mg cm^-2的硫含量，在室溫下，以1 C循環400次，硫容量可達714 mAh g^-1。此外，電池的工作溫度變寬。在55℃和0℃下，以0.5 C循環100次后，容量分別穩定在894 mAh g^-1和853 mAh g^-1。這項工作引起了對于鋰硫電池在極端環境中應用的廣泛研究興趣。

圖1（a）MnS/CNFs和CNFs夾層的合成示意圖。（b）抑制多硫化物擴散的不同夾層的示意圖。

圖2（a）分別為MnS/CNFs和CNFs夾層的XRD圖譜和（b）拉曼光譜。（c）CNFs夾層和（d）MnS/CNFs夾層的SEM圖像。（e）MnS/CNFs夾層的TEM圖像。插圖是MnS的晶格分辨HRTEM圖像。（f）MnS/CNFs夾層的STEM圖像和（g）C、（h）Mg和（i）S的元素圖。

圖3（a）帶有PP隔離層、CNFs和MnS/CNFs夾層的電池在1.7至2.8 V電壓范圍內的恒電流充放電曲線和（b）CV曲線。（c）在Li₂S₆電解質中具有CNFs和MnS/CNFs夾層的對稱電池的CV曲線。（d）具有不同夾層的電池以0.5 C從最初和中斷后的循環性能。（e）靜置150小時后，電池的開路電壓曲線。（f）帶有PP分離器、CNFs和MnS/CNFs夾層的電池的速率性能。（g）具有PP分離器、CNFs和MnS/CNFs夾層的電池以1 C循環400次的循環性能。

圖4（a）放置有CNFs和MnS/CNFs夾層的Li₂S₆溶液的照片和（b）紫外-可見光譜。（c）放電前和（d）放電后的MnS/CNFs夾層的高分辨率Mn 2p XPS光譜。

圖5.(a)無夾層、(b)具有CNFs和(C)MnS/CNFs夾層的電池內PP分離器的照片。(D)循環后CNFs夾層的STEM圖像(插圖顯示S元素圖)。(E)旋轉后MNS/CNFs夾層的STEM圖像(插圖顯示S元素圖)。(F)具有CNFs夾層和(G)MnS/CNFs夾層電池鋰陽極的SEM圖像。

圖6（a）具有MnS/CNFs夾層和CNFs夾層的電池在55℃下，以0.5 C的充放電電壓曲線和（b）循環性能。（c）具有MnS/CNFs夾層和CNFs夾層的電池在25℃下，以0.5 C的循環性能。（d）具有MnS/CNFs夾層和CNFs夾層的電池在0℃下，以0.5 C的充放電電壓曲線和（e）循環性能。（f）100個循環后，在不同溫度下具有不同夾層的電池的容量比較直方圖。