AFM综述：静电纺纳米纤维材料用于锂硫电池

DOI: 10.1002/adfm.201905467

锂硫（Li-S）电池因其出色的理论比能量远高于商用锂离子（Li-ion）电池而备受关注。锂硫电池是未来发展便携式电子产品和电动汽车领域储能技术的强大竞争对手。然而，多硫化物的严重“穿梭效应”和锂枝晶的严重损伤是阻碍锂硫电池商业化生产的主要因素。电纺纳米纤维材料由于其优异的纳米结构，通常表现出一些独特的特性，可以同时解决这些问题。到目前为止，各种新型的阴极、分离器和电纺纳米纤维材料的夹层被用来解决这些挑战。

近日，天津工业大学程博闻教授＆康卫民教授团队在《Advanced Functional Materials》（影响因子15.621）上发表综述文章（A Review: Electrospun Nanofiber Materials for Lithium-Sulfur Batteries）。

这篇综述介绍了各种用于锂硫电池的电纺纳米纤维材料的制备方法、结构、形貌工程和电化学性能的研究进展。本文不仅对锂硫电池中的电纺纳米纤维材料进行了综述，还对锂硫电池中电纺纳米纤维材料的设计提出了建议。这些系统的讨论和提出的方向，可以为今后优质锂硫电池纳米纤维材料的合理设计提供思路和方法。

图1.a）典型的锂硫电池的示意图； b）传统锂硫电池中典型的放电-充电曲线。

图2.静电纺丝装置由三部分组成：（i）含静电纺丝溶液的不锈钢针头塑料注射器，（ii）电源，（iii）接地的集电极；通过控制各种参数（如前驱体、煅烧气氛和喷嘴类型）获得不同的电纺纳米纤维材料。

图3.利用电纺纳米纤维材料用于锂硫电池的独特性能的整体示意图，包括将电纺纳米纤维材料应用于硫阴极、隔板和中间层。

图4.用于锂硫电池的电纺纳米纤维材料的示意图。

图5.a）使用电纺PAN制作CNF-S电极；b）分层碳纤维/S硫复合材料合成路线的示意图；c）通过在环境条件下静电纺丝制成的Ar保护的Li₂SO₄@PVP织物碳热还原法生产独立的柔性Li₂S@NCNF纸电极的示意图。

图6.具有70 wt%硫的BCN@HCS/S复合材料的表征：a，b）SEM图像，c）EDX光谱，d）TGA曲线，e，f）TEM图像，以及g）STEM图像和相应的元素映射；h）制备卵黄-壳碳纤维网络的模板化静电纺丝策略示意图。

图7.S/MhMpCFs复合材料的合成过程示意图：a）静电纺丝过程；b）PAN/PAMMA初纺纤维；c）碳化的中空微孔纳米纤维；d）S包含分层多孔CNFs复合材料；e）通过将S封装在多孔空心CNTs@CNFs中，从而形成一种新颖的C-S纳米结构的示意图。

图8.a）通过双喷嘴共静电纺丝形成的三层聚合物纳米纤维的形成机理； b）S-固定化活性多孔碳纳米管的制造步骤示意图；c）嵌入式激活多通道CNFs的制造步骤说明。

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

图10.a，b）β-Mo₂C/CNFs的SEM和TEM图像；c，d）β-Mo₂C/ CNFs的EDX线分析和HRTEM图像; e）β-Mo₂C/CNFs的EDX元素映射图像；f，g）升华的S和β-Mo₂C/CNFs/S复合材料的SEM图像; h）β-Mo₂C/CNFs/S的EDX元素映射图像；i）在添加β-Mo₂C/CNFs和AB之前和之后，Li₂S₆溶液的紫外可见吸收光谱。插图是Li₂S₆/THF溶液的密封小瓶在与β-Mo₂C/CNFs和AB接触0.5小时后的照片； j）制备MoS₂ @ N-CNFs的示意图。

图11.a）S/TiO₂/G/NPCFs复合材料制造工艺示意图；b）二氧化硅/ACNFs制造示意图；c）SVF复合材料制造步骤示意图。

图12.a）纯S的SEM图像，b,c）TiO₂和S-TiO₂的FESEM图像；d）S-TiO₂的TEM图像；e）S-TiO₂的FESEM图像和f，g）Ti和S的相关元素映射图；h）S/NiFe₂O₄的结构形成及制备过程示意图。

图13.a）静电纺丝工艺和柔性S/DPAN/KB复合阴极的制造示意图。b）电极配置的示意图。c）柔性SPAN-CNT20薄膜的示意图。

图14. a）PAA纳米纤维隔板的制备过程示意图； b，c）AHE的合成和结构表征：基于PMMA的电纺纤维网络的FESEM图像（光学图像显示在插图中）。d，e）AHE的示意图架构和原子配置；f-h）AHE的化学相互作用性质表征：多硫化物与PPETEA、PP/PE和PMMA之间最稳定的吸附情况；i）E-PAN/PAA的设计流程示意图以及对多硫化物的阻断机理。

图15.a）PE隔板上PEI（或PAN）/MWNT顶层的制造和结构分析。b）PVDF/PSSLi隔板的制造过程示意图。

图16.a-d）CNF、PCNFs-9：1、PCNFs-7：3和PCNFs-5：5的SEM图像。插图是高分辨率图像。e）配置有常规隔板和功能性隔板的锂硫电池的示意图。

图17.a）具有层间排列的S阴极的示意图。b1，b2）CNFs和CNFs-T的SEM图像；b3，b4）CNFs-T的TEM图像以及元素碳、钛和氧的相应EDS映射。

图18.a）组装的电池模型的图示，包括在Ni泡沫表面上的ZnO纳米线阵列的概念图。b）中间层对LiPSs的物理屏障和化学吸附的机理。