锂硫（Li–S）电池因其在高能量密度储能中的应用潜力而引起广泛的研究。然而，多硫化物（PS）在电解质中的溶解导致快速的容量衰减，严重阻碍了Li–S电池的商业化。改性的正极结构和功能性隔膜可以有效抑制穿梭效应，已经可以实现高载硫情况下的数千次循环。但金属锂、硫、有机电解质和有机隔膜的安全问题，特别是易燃性，仍是一个阻碍其实际应用的大问题。在Li–S电池中，安全问题的研究仍没有得到足够的关注，寻找可以同时实现性能提升和安全性的隔膜材料是增强Li–S电池适用性的关键问题。
近期，黑龙江大学李强教授、中国电子科技大学何伟东教授和熊杰教授团队在Advanced Energy Materials期刊上发表题为“A Nonflammable and Thermotolerant Separator Suppresses Polysulfde Dissolution for Safe and Long-Cycle Lithium-Sulfur Batteries”的论文。该工作将聚丙烯腈（PAN）和多磷酸铵（APP）电纺成隔膜（PAN@APP），获得了一种可以有效抑制PS溶解并提高高温性能的非易燃多功能隔膜。由于APP中丰富的胺基和磷酸根，PAN@APP隔膜与PS具有强烈的相互作用，通过强电荷排斥作用可以抑制PS离子和自由基的传输。此外，耐火APP可以确保电池在高温下循环的稳定性。PAN@APP隔膜使Li–S电池在800次循环后容量保持率仍维持在83%。这项工作为稳定和安全的Li–S电池提供了一个材料平台，并指出了一个使Li–S电池成为下一代电化学转换/存储设备的努力方向。
图1. 用于Li–S电池的具有热触发阻燃性能的多功能电纺隔膜的示意图。（a) 在工作条件下，PAN@APP作为有效的多硫化物抑制剂。（b，c）在热触发时，APP将熔化并覆盖在电池表面以隔绝空气和热量。
图2. PAN@APP隔膜的特性。（a）PAN（顶部）和APP（底部）的化学结构。（b）APP与Li2Sx（x=8，6，4，3，2和1）结合的几何构象及结合能。（c）在PAN@APP的选定区域中的C、N和P的元素分布图。（d，e）PAN@APP隔膜的SEM图和横截面图。插图为该隔膜的光学照片。（f–h）使用PP、PAN和PAN@APP隔膜的双L渗透装置的渗透实验。
图3. 功能隔膜的阻燃性能（a）PP、PAN和PAN@APP隔膜的阻燃性能。（b）不同隔膜燃烧的自熄时间。（c–e）燃烧前后S-PP、S-PAN和S-PAN@APP的XPS光谱。
图4. 不同温度下使用功能隔膜的电池的电化学性能（a）PP、PAN和PAN@APP隔膜的平均热分析图。（b）在不同温度下使用PP、PAN和PAN@APP隔膜的Li–S电池循环性能。（c）使用不同隔膜的电池在120℃下的自放电行为。（d）使用不同隔膜的电池在75℃下的长循环性能。
图5. 使用不同隔膜的电池的电化学性能。（a）使用PAN@APP隔膜的电池的CV曲线，扫速为0.1 mV s–1。（b）使用PAN@APP隔膜的电池在0.2–2 C电流密度下的充放电曲线。（c）使用PAN@APP隔膜的电池的倍率性能图。（d）具有PP、PAN和PAN@APP隔膜的电池在1 C电流密度下的循环性能和库伦效率。（e）具有PAN@APP隔膜的电池的长循环性能。（f）具有PAN@APP隔膜的高硫负载（6 mgS cm–2）电池在不同倍率下的充放电曲线。（g）具有PAN@APP隔膜的高硫负载（6 mgS cm–2）电池在不同电流密度下的循环稳定性。
全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201802441
