DOI:10.1016/j.cej.2020.124979
由于可溶性多硫化锂的存在，因此对于锂硫（Li-S）电池隔膜的要求要远高于锂离子电池，因此，开发功能性隔膜是锂硫电池的重要研究方向之一。
近日，武汉理工大学麦立强教授、许絮副教授（共同通讯作者）等在Chem. Eng. J.上发表了题为“A Robust Electrospun Separator Modified with in situ Grown Metal-Organic Frameworks for Lithium-Sulfur Batteries”。本文中，研究者基于静电纺丝技术和低压化学气相沉积构筑了一种双层MOF-PAN/rGO-PAN纳米纤维薄膜，可直接用于Li-S电池隔膜。文中指出，相比于传统的液相法，采用低压化学气相沉积法可以在不影响纳米纤维薄膜结构和性质的情况下原位修饰MOF。这一功能隔膜对于锂硫电池具有一系列积极作用：首先，通过低压化学气相沉积原位生长的MOF颗粒紧密地附着在纳米纤维的表面上，这些暴露的颗粒可以最大程度地利用化学吸附来捕获多硫化物；其次，rGO-PAN层对锂负极也具有一定的保护作用，当锂离子穿过存在于PAN纳米纤维薄膜之间的石墨烯时，石墨烯层会重新调整锂离子的迁移路径，从而实现锂离子在负极的均匀沉积，在一定程度上可以抑制锂枝晶的生长。利用这种新型功能性隔膜组装的Li-S电池，可在0.5 C时可提供高达1302 mAh g-1的初始容量。在5 C的大电流密度下，循环600圈后，容量衰减率仅为0.03％每圈；更重要的是，即使在硫负载量高达7.7 mg cm-2的情况下，Li-S电池在循环50圈后仍能保持7.8 mAh cm-2的面容量。另外，基于PAN的功能性隔膜不仅具有良好的离子电导率，同时由于本身的多孔结构，使得其单位面积质量仅为0.5 mg cm-2,远低于商业化聚丙烯（PP）隔膜（1.4 mg cm-2）, 该工作对于开发安全稳定、高能量密度的锂硫电池具有重要意义。
图1.（a）用于Li-S电池的多功能电纺MOF-PAN/rGO-PAN隔膜示意图；（b-g）MOF-PAN/rGO-PAN的形貌表征，（b，c）SEM图像；（d，e）TEM图像和（f，g）HRTEM图像；g的插图是红色部分的放大图。
图2. 电解液接触角测试（a）MOF-PAN/rGO-PAN薄膜；（b）PP隔膜；（c，d）PP隔膜和MOF-PAN/rGO-PAN薄膜的DSC和TGA曲线；（e，f）经100℃热处理前后的PP、PAN、PAN/rGO-PAN、MOF-PAN/rGO-PAN薄膜。
图3.（a）不同隔膜组装的Li-S电池的开路电压曲线；（b-d）MOF-PAN/rGO-PAN、PAN/rGO-PAN和PP隔膜的锂离子迁移数。
图4.（a）不同隔膜组装的Li-S电池的倍率性能；（b）不同隔膜组装的Li-S电池在0.5 C下的恒电流充电/放电曲线；（c）不同隔膜组装的Li-S电池在1 C下循环100圈的循环性能；（d）MOF-PAN/rGO-PAN隔膜组装的Li-S电池在5 C下循环600圈；（e）高负载性能测试。
图5.利用双L装置进行多硫化物渗透实验（a）PP；（b）PAN/rGO-PAN和（c）MOF-PAN/rGO-PAN隔膜；（d）ZIF-67不同方向的DFT分子骨架；（e）Li2Sn和S8与ZIF-67结合的优化构型。
麦立强，武汉理工大学材料学科首席教授，博士生导师，武汉理工大学材料科学与工程学院院长，教育部“长江学者特聘教授”（2016），国家杰出青年科学基金获得者，国家“万人计划”领军人才入选者，英国皇家化学学会会士，国家重点研发计划“纳米科技”重点专项总体专家组成员。2004年在武汉理工大学获工学博士学位，随后在美国佐治亚理工学院（2006-2007）、哈佛大学（2008-2011）、加州大学伯克利分校（2017）从事博士后、高级研究学者研究。
主要研究方向为纳米储能材料与器件。构筑了国际上第一个单根纳米线固态储能器件，创建了原位表征材料电化学过程的普适新模型，率先实现了高性能纳米线电池及关键材料的规模化制备和应用。目前已发表包括Nature、Nature Nanotechnol.、Adv. Mater.、Chem. Rev.等在内的SCI论文300余篇，SCI他引16800余次；获授权国家发明专利100余项。在美国MRS、ACS、ECS等重要国际会议做大会报告、主旨报告、特邀报告70余次。作为大会主席组织Nature能源材料会议、第十届中美华人纳米论坛等重要国际会议10余次。主持国家重大科学研究计划课题、国家自然科学基金重点项目等30余项。获国家自然科学奖二等奖（第一完成人，2019）、科睿唯安全球高被引科学家（2019）、教育部自然科学一等奖（第一完成人，2018）、英国皇家化学会中国高被引作者（2017）、第十四届中国青年科技奖（2016）、第十一届光华工程科技奖青年奖（2016）、湖北省自然科学一等奖（第一完成人，2014）、侯德榜化工科学技术奖青年奖（2016）、国际电化学能源科学与技术大会卓越研究奖（EEST2018 Research Excellence Awards）（2018）、中国产学研合作创新奖（2016），入选“国家百千万人才工程计划”，并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴。任Adv. Mater.、Chem. Rev.客座编辑，Acc. Chem. Res.、Joule、ACS Energy Lett.、Adv. Electron. Mater.、Small国际编委，Nano Res.、Sci. China Mater.编委。
