锂硫电池作为一种高能量的存储系统，在可穿戴和便携式电子领域有着广阔的应用前景。然而，严重的穿梭效应、低硫导电率，特别是电极机械柔性差，限制了实际应用中硫的利用和负载。电纺纳米纤维膜由于其由无数连续纤维组成的天然三维网络结构，具有高孔隙率和优异的柔韧性，成为LSBs中潜在的重要组件，受到了广泛的关注。其具有以下特点：i)聚合物电纺膜可以直接作为隔膜，提供更高的锂离子扩散通量和更高的电解质吸收率；ii)通过对聚合物电纺膜进行碳化，得到的柔性碳导电骨架进一步作为集流体或导电功能中间层，促进了Li-S电化学反应及通过其多孔结构捕获溶解的LiPSs；iii)当一些富含杂原子的聚合物作为电纺膜前驱体碳化时，可获得理想的“亲锂”和“亲硫”碳纳米纤维骨架，从而进一步提高电池性能；iv)由于膜的孔隙度较好，在实际应用中更容易达到较高的硫负载量。因此，基于高通量柔性电纺膜与一体化设计理念相结合的优点，可以构建高性能、高负载柔性LSBs。
近日，西安交通大学丁书江教授团队采用电纺丝与膜技术相结合的简便有效的集成策略，制备了一种三合一柔性纤维膜。其底层(离锂负极最远)由紧密堆积的硫(S)嵌入在众多导电碳纳米管中(碳纳米管)中组成；中间层是由Co和N 共掺杂分层纳米碳纤维(CoNCNFs)，由碳化电纺聚丙烯腈(PAN)纳米纤维与生长的沸石酰亚胺骨架(ZIF-L)二次纳米结构形成，具有在集流体上高负载和功能导电中间层的双重作用。它的顶层(最接近Li正极)是一种电纺聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维膜，用作高通量聚合物隔膜。它的初始容量为1501 mA h g−1，经过400次循环后的放电容量为933 mA h g−1，每个周期容量衰减较慢(0.069%)。这种集成的柔性S-CNTs/CoNCNFs/PVDF纤维膜得益于各种功能纳米材料的协同作用，即使在高硫负载下，也能在扣式和柔性袋型LSBs中展现出较高的可逆容量和长周期的循环能力。相关研究成果以“Flexible and High-Loading Lithium–Sulfur Batteries Enabled by Integrated Three-In-One Fibrous Membranes”为题目发表于期刊《Adv. Energy Mater.》上。西安交通大学大学丁书江教授、延卫教授和英国剑桥大学Xi Kai为共同通讯作者。
图1 工作原理及柔性测试。
图2 制备工艺流程及形貌结构表征。
图3 后期分析、功能机制与Li-S电池性能表征。
总结与展望
本研究介绍了一种采用静电纺丝和膜技术制备的三合一柔性纤维膜。这种集成膜不仅具有良好的柔韧性，而且发挥协同作用，提高电池性能。当应用于LSBs时，CNTs/电纺碳网络提高了硫的导电性，降低了极化率。CoNCNFs层对LiPSs表面/化学亲和力高，增强了PVDF与LiS之间的相互作用，确保了对穿梭效应的高效抑制。一维网络骨架为锂离子扩散提供了进一步的高通量路径，加速了硫转化动力学。因此，使用三合一纤维膜组装的电池具有较高的可逆容量、长周期的循环性能和优异的倍率性能。因此，我们认为这种制备集成柔性纤维膜的多用途、有效的策略，对未来发展LSBs、金属空气和流动电池等高能可穿戴便携式存储系统具有重要的现实意义。
论文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.201902001
丁书江，1978年生于黑龙江省哈尔滨市，理学院教授。教育部“新世纪优秀人才”，陕西省“青年科技新星”。研究工作涉及电化学储能材料与器件、电活性聚合物等，包括聚合物电解质、固态电池、水系电池、锂硫电池、锂/钠离子电池、超级电容器、电催化等。以第一作者或者通讯作者身份在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. int. Ed., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Energy Storage Mater., Chem. Mater., Chem. Commun., J. Mater. Chem A, Nanoscale等期刊上发表论文百余篇，其中14篇论文入选“基本科学指标数据（ESI）”高被引论文，1篇论文入选ESI Hot Paper。并担任多个著名国际学术期刊的审稿人。在研项目包括国家自然科学基金面上和青年项目，博士点基金、陕西省基金等。
近年来，丁书江教授课题组在电功能聚合物以及纳米能源材料的研究方向开展了比较系统的工作，并且取得了一系列具有影响力的进展。相关成果相继发表在：
Nature Communications, 2018, doi: 10.1038/s41467-018-05165-w
Journal of Membrane Science, 2018, 563, 277-283
Energy Storage Materials, doi: 10.1016/j.ensm.2018.05.019.
Journal of Materials Chemistry A, 2018, DOI: 10.1039/C8TA03799J.
Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5, 8062.
Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5, 17963.
ACS applied materials & interfaces, 2017, 5, 4597.
Electrochimica Acta, 2017, 230, 181.
Nano Energy, 2016, 27, 457.
ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 7 (43), 23885.
Journal of Power Sources, 2016, 303, 22.
Nano Energy, 2015, 16, 152.
Nano Energy, 2015, 12, 538.
Energy & Environmental Science, 2015, 8, 1707.
Angewandte Chemie International Edition, 2014, 53, 12803.
Nanoscale, 2014, 6, 5746.
Advanced Energy Materials, 2014, 4, 1400902
