DOI: 10.1016/j.compositesb.2022.109856

本研究制备了由TiO2量子点和金属有机框架衍生中空N掺杂C纳米笼（HNCs）组成的分层多孔纳米纤维，简称P-N-C@TiO2/HNC NFs，并将其用作稳定Li-S电池（LSBs）的超轻质多功能中间层。分层多孔高导电性N-C纳米纤维框架为快速离子/电子转移提供了许多导电通道，并支持快速氧化还原过程以及高效的电解质渗透。此外，良好接枝的极性TiO2量子点的存在确保了多硫化锂物种的有效捕获和再利用，阻止它们向锂负极迁移，从而提高活性材料的利用率。受益于这些结构优势，采用高有效硫含量（约61wt%）电极和P-N-C@TiO2/HNC-NF涂层隔膜的Li-S电池表现出优异的倍率和循环性能（在0.1C下进行500次循环后为590mAh/g，平均容量衰减仅为0.11%）。综上，本研究提出了多孔高导电性N-C框架与极性TiO2量子点的组合策略，为合成适用于各种储能系统的先进功能性中间层提供了有价值的见解。

图1.初纺PVP/TTIP/PS/ZIF-8复合纤维在150℃下稳定后的物理表征：（a，b）FE-SEM图像，插图为横截面图像，（c）XRD图谱以及（d）N2气氛中的TG曲线。

图2.稳定化复合材料在N2气氛中于800℃下进行首次热处理后获得的P-N-C@TiO/HNC纤维的表征：（a,b）FE-SEM图像，（c）横截面图像，（d,e）TEM图像，（f）HR-TEM图像，（g）XRD图谱，（h）SAED图谱，以及（i）元素映射图像。

图3.P-N-C@TiO2/HNC复合纤维在空气气氛中经300℃二次热处理后的形貌、SAED、XRD和元素映射图像：（a,b）FE-SEM图像，（c）横截面图像，（d,e）TEM图像，（f）HR-TEM图像，（g）XRD图谱，（h）SAED图谱，以及（i）元素映射图像。

图4.（a）P-N-C@TiO2/HNC纤维的XPS全扫描光谱、（b）Ti2p XPS光谱、（c）O1s XPS光谱、（d）C1s XPS光谱、（e）N1s XPS光谱和（f）TG曲线。

图5.（a-d）不同夹层组装的Li-S电池的电化学性能和（e-g）奈奎斯特阻抗图：（a）0.1mV/s时的初始CV曲线，（b）0.1C下的初始充放电电压曲线，（c）倍率性能测试，（d）组装电池在0.1C下的循环性能，以及不同循环次数下的奈奎斯特图：（e）循环前，（f）第5次循环后，以及（g）第200次循环后。

图6.具有不同涂层隔膜的组装Li-S电池的锂离子扩散系数（DLi+）：（a,b）P-N-C@TiO2/HNC NFs，（c,d）P-N-C/HNC NFs，和（e,f）P-N-C NFs。

图7.（a）不同对称电池在-1.0至1.0V的电压窗口内以3.0mV/s的扫描速率获取的第一个CV曲线，（b-d）使用不同对称电池获得的前五个CV曲线，（e）多硫化物吸附试验视觉演示的数码照片，以及（f）利用P-N-C@TiO2/HNC NFs作为功能性中间层来阻止多硫化锂迁移的示意图。