在本研究中，使用簡便的靜電紡絲方法和隨后的熱解工藝合成了一系列多摻雜分層纖維網絡結構，從而產生了用于Na-O2電池的無粘合劑自支撐陰極。這種無粘合劑電極對于避免電池運行過程中已知的退化問題非常重要。使用聚離子液體（聚二甲基二烯丙基銨雙氟磺酰亞胺（PDADMA FSI））、多摻雜（S、N和F構型）碳納米纖維源和聚丙烯腈（PAN）作為共前體。PDADMA FSI在調節碳納米纖維的形態（纖維直徑、比表面積和孔徑）方面發揮著重要作用，提供了控制電催化活性的策略。事實上，增加前驅體混合物中PDADMA FSI的含量會導致更大的比表面積和更小的纖維直徑，從而提高電池的放電容量。空氣陰極中的多重摻雜以及吡啶-N構型、離子C-F鍵和噻吩S鍵（C-S-C）的協同效應增強了氧還原反應，從而提高了放電容量（在0.6mA/cm2下為0.35mAh/cm2）。已在一系列電解質（例如離子液體、有機溶劑和混合電解質）中對Na-O2電池空氣陰極進行了評估，其表現出優異的長期循環性能（157次循環），是已報告的N摻雜碳基空氣陰極的最高值。
圖1.碳納米纖維在800℃下熱解的SEM圖像：（a）PAN:PDADMA FSI 100:0（原始CNFs），（b）PAN:PDADMA FSI 80:20，（c）PAN:PDADMA FSI 70:30，和（d）PAN:PDADMA FSI 60:40。（e）PAN:PDADMA FSI 70:30的透射電鏡（TEM）圖像，（f）HRTEM圖像，（g-l）TEM圖像以及C、N、O、F和S的相應EDX元素映射。
圖2.（a）使用本研究中的四種不同空氣陰極的Na-O2半電池的電壓曲線。外加電流：0.6mA/cm2，截止電位：1.6–3.2V（vs.Na0/Na+），電解液：含16.6mol%NaTFSI的[C4mpyr][TFSI]。PAN:PDADMA FSI前體混合物中PDADMA FSI的量對（b）四個空氣陰極的比表面積、平均纖維直徑和比放電容量，（c）原子含量和ID/IG比率，以及（d）N、（e）F和（f）S物種的影響。
圖3.在800℃下制備的不同厚度PAN:PDADMA FSI 70:30的SEM圖像：（a）108μm，（b）230μm，（c）310μm。（a）-（c）中的插圖：相關的橫截面SEM圖像。（d）使用三種不同厚度CNF空氣陰極的Na-O2電池（半電池）的電壓分布。（e）三種空氣陰極的厚度、孔隙空間、纖維量和比電荷容量之間的相關性。外加電流：0.6mA/cm2，截止電位：1.6–3.2V（vs.Na0/Na+），電解液：含16.6mol%NaTFSI的[C4mpyr][TFSI]。
圖4.（a）使用三種不同電解質時（含16.6mol%NaTFSI的[C4mpyr][TFSI]、G2和G2/[C4mpyr][TFSI]），以310μm厚的PAN:PDADMA FSI 70:30作為空氣陰極的Na-O2電池的深度放電。（b）使用含16.6mol%NaTFSI的G2和G2/[C4mpyr][TFSI]時空氣陰極上放電產物的拉曼光譜。外加電流密度：0.1mA/cm2，室溫下截止電位為1.6V。
圖5.使用含16.6mol%NaTFSI的（a和b）G2和（c和d）G2/[C4mpyr][TFSI]時，以310μm厚的PAN:PDADMA FSI 70:30作為空氣陰極的Na-O2電池第一次循環后放電產物的SEM顯微照片。外加電流密度：0.1mA/cm2，截止電位1.6V，RT。空氣陰極（a和c）與電解質接觸和（b和d）與氧氣接觸的顯微照片。使用厚度為310μm的PAN:PDADMA FSI 70:30空氣陰極以及不同電解質時Na-O2電池陰極放電產物的EDS映射（左），以及碳、鈉（中）和氧（右）的存在和分布：（e）含16.6mol%NaTFSI的G2和（f）G2/[C4mpyr][TFSI]。
圖6.（a）使用三種不同電解質的Na-O2電池的電壓曲線（第一次循環）：含16.6mol%NaTFSI的[C4mpyr][TFSI]、二甘醇二甲醚（G2）和G2/[C4mpyr][TFSI]。（b）使用PAN:PDADMA FSI 70:30-310和含16.6mol%NaTFSI的[C4mpyr][TFSI]時，Na-O2電池初始循環的循環性能（第2到第4個循環）。（c和d）Na-O2電池在（c）0.1mAh/cm2以及隨后（d）0.25mAh/cm2的有限容量下的長期循環性能和庫侖效率。（e和f）兩種電池在（e）第25、50和100次循環以及（f）第101、109和158次循環時的電壓曲線。外加電流0.1mA/cm2，截止電位1.6-3.6V，RT。
圖7.NaO2生長/解吸機理的密度泛函理論計算。（a）N-C/NaO2、NF-C/NaO2、NS-C/NaO2和NSF-C/NaO2的吸附結構。C、N、O、F、S和Na原子分別為黑色、藍色、紅色、灰色、黃色和紫色球。（b）N-C、（c）NF-C、（d）NS-C和（e）NFS-C表面上NaO2以及反應物和中間體分解/生長的自由能圖。*表示用于吸附NaO2的底物。
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