郑大张鹏Adv. Sci.：静电纺丝在锂硫电池中的应用历程

与传统锂离子电池相比，锂硫（Li-S）电池具有超高的理论能量密度，被认为是一种很有前景的下一代储能技术。然而，Li-S电池的实际应用仍然受到诸如穿梭效应和锂枝晶不可控生长等臭名昭著的问题的阻碍。近年来，静电纺丝技术的快速发展为制备柔性纳米纤维材料提供了可靠的方法，并广泛应用于作为载体、夹层和隔膜的Li-S电池，被认为是实现高能量密度柔性Li-S电池有前景的策略。

郑州大学张鹏等介绍了用于柔性Li-S电池的静电纺丝技术和各种基于静电纺丝的纳米纤维的基本介绍。更重要的是，基于所提出的数学模型强调了比容量、电解液/硫(E/S)比、硫负载和正极振实密度等关键参数，其中基于静电纺丝纳米纤维的Li-S电池分别实现了500 Wh kg^-1和700 Wh L^-1的高重量(WG)和体积(WV)能量密度。这些系统的总结不仅提供了纳米纤维基电极设计的原理，而且为具有高WG和WV的商业化Li-S电池提供了启发性的方向。

图1 Li-S电池应用静电纺丝技术的发展历程

在正极方面，由于活性硫导电性差，导电碳质纳米纤维被认为是最合适的选择。为确保尽可能多的硫被封装在纳米框架中，人们开发并提出了各种由纳米纤维组成的纳米框架的结构调整方法。此外，在静电纺丝过程或附加水热过程中，极性基团被引入纳米纤维中，以改善对多硫化物的吸附和催化作用，从而改善“穿梭效应”。

图2 静电纺丝技术和各种静电纺丝纳米纤维示意图

当用作夹层时，静电纺丝纳米纤维的自支撑特性也显示了其优势：

1）多孔三维网络结构充当自然物理拦截层；

2）嵌在纳米骨架中的吸附性极性基团能有效地将多硫化物从电解液中捕获，并将多硫化物作为储层保留在纳米孔中；

3）自支撑设计显示了更好的自由度，消除了复杂的活性硫复合工艺。

然而，值得注意的是，额外引入的夹层应足够轻和薄，否则，整个Li-S电池系统的实际能量密度将受到影响。将静电纺丝聚合物薄膜应用于Li-S电池的隔膜中，还显示出其重量轻、孔径可调、热稳定性好等优点。然而，静电纺丝膜的厚度通常大于商用PP隔膜的厚度。许多类型的研究表明，静电纺丝基纳米纤维在限制正极侧的多硫化物方面表现良好，从而更好地利用活性硫并延长循环寿命。

图3 Li-S电池四个主要部件中使用的静电纺丝纳米纤维材料示意图

在锂金属负极中的应用方面，静电纺丝碳纳米纤维的导电三维网络结构可以均匀负极中的电荷分布，引导锂离子沉积到光滑的锂金属中，从而抑制枝晶问题。

静电纺丝碳纳米纤维的表面处理已被证明能有效地提高与Li⁺和液态锂金属的表面亲和力，这表明锂金属可以通过沉积或熔融扩散方法被限制在静电纺丝纳米框架内，以构建CNFs/Li负极，这与正极中的硫宿主策略类似。与铜箔集流体上传统的锂负极涂层相比，这些新型CNFs/Li负极提供了更平滑的锂沉积/剥离过程以及更高的库仑效率。

Lithium–Sulfur Batteries Meet Electrospinning: Recent Advances and the Key Parameters for High Gravimetric and Volume Energy Density. Advanced Science 2021. DOI: 10.1002/advs.202103879

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