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《AFM》顶刊综述:锂硫电池用纳米纤维材料
出处:材料科学与工程  录入日期:2019-09-03  点击数:139

  近日,程博闻教授、康卫民教授团队以天津工业大学纺织科学与工程学院为第一单位,在国际材料科学顶级期刊《Advanced Functional Materials》(影响因子15.621)上发表综述性论文(A Review:Electrospun Nanofiber Materials for Lithium-Sulfur Batteries)。该期刊是德国Wiley出版社旗下顶级期刊,在材料化学领域具有权威影响力。纺织科学与工程学院硕士研究生刘敏和师资博士后邓南平为该论文的共同第一作者,博士生鞠敬鸽为第二作者,程博闻教授、康卫民教授和闫静老师为通讯作者。
  这篇论文综述了Li-S电池用电纺纳米纤维材料的研究进展,并对Li-S电池用电纺纳米纤维材料的设计提出了建议。这些系统的讨论和提出的方向可以为Li-S电池用电纺纳米纤维材料的合理设计提供思路和方法。
  Li-S电池具有超高的理论能量密度(2600 Wh/kg),有原材料丰富、价格低廉以及环境友好等一系列优点,被认为是最具吸引力的下一代二次电池之一。然而,Li-S电池尚存在着导电性差、容量衰减过快、活性物质利用率低以及锂枝晶等诸多问题,这些问题使其实用化进程受到了严重的阻碍。其主要原因是,Li-S电池在充放电过程中易形成可溶于电解液的多硫化物的“穿梭效应”和严重的锂枝晶安全问题。

 

 


  纳米纤维材料作为一种新兴的纤维材料,因具有比表面积大、孔隙率高、孔道连通性好等特点,而成为当前纤维材料领域研究的重点和前沿。静电纺丝法因具有可纺原料种类丰富、纤维结构可调性好、多元技术结合性强等优势,是当前制备纳米纤维材料的重要方法之一。静电纺丝法是利用高压静电作用直接将聚合物溶液加工成纳米纤维的方法,整个过程发生时间极短,且涉及荷电聚合物溶液射流的形成、拉伸细化、形变/相变等一系列复杂的变化。

 

 


  静电纺丝技术制备的纳米纤维具有成分多样、尺寸可调、比表面积大等优点,近年来被广泛用于Li-S电池领域。由于优异的物理化学特性,电纺纳米纤维表现出得天独厚的特质去解决Li-S电池的这些问题。

 

 


  在过去的几十年里,通过不断的努力和研究,采用电纺纳米材料的Li-S电池的电化学性能得到了很大的改善。在文献研究的基础上,这篇论文综述了电纺纳米材料用Li-S电池正极、隔膜和插层的最新发展及其工作机理,具体分析细节将在论文相应章节中进行描述,包括其加工方法、结构、形态工程和电化学性能。第一正极,电纺纳米纤维材料具有比表面积可变、孔结构可控、化学性能优异等优点,已成为电池Li-S电池正极材料的研究热点。第二隔膜,与传统的PP膜分离器相比,电纺纳米纤维膜材料由于其独特的比表面积、较大的孔隙率、在电解质吸收和离子传输方面具有无可比拟的优势,作为锂硫电池的隔膜得到了广泛的关注。第三插层,电纺纳米纤维材料夹层不仅可以提高电池系统的电子传输,而且可以明显抑制多硫化物转移和锂枝晶的生长。论文讨论了电纺材料应用于锂硫电池的一些问题,相应的给出了一些切实可行的方案策略。

 

 


  论文最后提出尽管静电纺丝技术存在一些挑战,但是随着新领域的发展,有望实现电纺纳米纤维材料的精确结构调控和低成本产业化。静电纺丝技术将成为获得性能优异的锂硫电池用纳米纤维材料的首选方法。这一综述有望激励更多的工作来推进电纺纳米纤维材料在高性能Li-S电池系统中的应用发展。
  我校程博闻教授、康卫民教授团队在电纺材料用于Li-S电池中取得优异成果,比如蜂窝状多孔碳材料和凝胶化耐高温芳纶纤维材料,在Energy StorageMaterials, ACS Applied Materials & Interfaces, Nanoscale等国际知名期刊发表相关论文二十余篇。
  该研究受国家自然科学基金(批准号51673148,51678411,51973157),天津市科技计划(17PTSYJC00040,18PTSYJC00180),天津市自然科学基金(17JCYBJC41700),天津市教委科研项目(2017KJ067)和天津市归侨科研基金(2018003)资助。
  论文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.201905467
  文章来源:材料科学与工程

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