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    天津工業大學程博聞教授、康衛民教授團隊《Adv.Funct.Mater.》綜述:靜電紡絲納米纖維材料應用于Li-S電池的研究進展
    2019-09-03  來源:中國聚合物網

      近日,程博聞教授、康衛民教授團隊以天津工業大學紡織科學與工程學院為第一單位,在國際材料科學頂級期刊《Advanced Functional Materials》(影響因子15.621)上發表綜述性論文(A Review: Electrospun Nanofiber Materials for Lithium-Sulfur Batteries)。該期刊是德國Wiley出版社旗下頂級期刊,在材料化學領域具有權威影響力。紡織科學與工程學院碩士研究生劉敏和師資博士后鄧南平為該論文的共同第一作者,博士生鞠敬鴿為第二作者,程博聞教授康衛民教授閆靜老師為通訊作者。

      這篇論文綜述了Li-S電池用電紡納米纖維材料的研究進展,并對Li-S電池用電紡納米纖維材料的設計提出了建議。這些系統的討論和提出的方向可以為Li-S電池用電紡納米纖維材料的合理設計提供思路和方法。

      Li-S電池具有超高的理論能量密度(2600 Wh/kg),有原材料豐富、價格低廉以及環境友好等一系列優點,被認為是最具吸引力的下一代二次電池之一。然而,Li-S電池尚存在著導電性差、容量衰減過快、活性物質利用率低以及鋰枝晶等諸多問題,這些問題使其實用化進程受到了嚴重的阻礙。其主要原因是,Li-S電池在充放電過程中易形成可溶于電解液的多硫化物的“穿梭效應”和嚴重的鋰枝晶安全問題。

      納米纖維材料作為一種新興的纖維材料,因具有比表面積大、孔隙率高、孔道連通性好等特點,而成為當前纖維材料領域研究的重點和前沿。靜電紡絲法因具有可紡原料種類豐富、纖維結構可調性好、多元技術結合性強等優勢,是當前制備納米纖維材料的重要方法之一。靜電紡絲法是利用高壓靜電作用直接將聚合物溶液加工成納米纖維的方法,整個過程發生時間極短,且涉及荷電聚合物溶液射流的形成、拉伸細化、形變/相變等一系列復雜的變化。

      靜電紡絲技術制備的納米纖維具有成分多樣、尺寸可調、比表面積大等優點,近年來被廣泛用于Li-S電池領域。由于優異的物理化學特性,電紡納米纖維表現出得天獨厚的特質去解決Li-S電池的這些問題。

      在過去的幾十年里,通過不斷的努力和研究,采用電紡納米材料的Li-S電池的電化學性能得到了很大的改善。在文獻研究的基礎上,這篇論文綜述了電紡納米材料用Li-S電池正極、隔膜和插層的最新發展及其工作機理,具體分析細節將在論文相應章節中進行描述,包括其加工方法、結構、形態工程和電化學性能。第一正極,電紡納米纖維材料具有比表面積可變、孔結構可控、化學性能優異等優點,已成為電池Li-S電池正極材料的研究熱點。第二隔膜,與傳統的PP膜分離器相比,電紡納米纖維膜材料由于其獨特的比表面積、較大的孔隙率、在電解質吸收和離子傳輸方面具有無可比擬的優勢,作為鋰硫電池的隔膜得到了廣泛的關注。第三插層,電紡納米纖維材料夾層不僅可以提高電池系統的電子傳輸,而且可以明顯抑制多硫化物轉移和鋰枝晶的生長。論文討論了電紡材料應用于鋰硫電池的一些問題,相應的給出了一些切實可行的方案策略。

      論文最后提出盡管靜電紡絲技術存在一些挑戰,但是隨著新領域的發展,有望實現電紡納米纖維材料的精確結構調控和低成本產業化。靜電紡絲技術將成為獲得性能優異的鋰硫電池用納米纖維材料的首選方法。這一綜述有望激勵更多的工作來推進電紡納米纖維材料在高性能Li-S電池系統中的應用發展。

      天津工業大學程博聞教授、康衛民教授團隊在電紡材料用于Li-S電池中取得優異成果,比如蜂窩狀多孔碳材料和凝膠化耐高溫芳綸纖維材料,在Energy Storage Materials, ACS Applied Materials & Interfaces, Nanoscale等國際知名期刊發表相關論文二十余篇。

      該研究受國家自然科學基金(批準號51673148,51678411,51973157),天津市科技計劃(17PTSYJC00040,18PTSYJC00180),天津市自然科學基金(17JCYBJC41700),天津市教委科研項目(2017KJ067)和天津市歸僑科研基金(2018003)資助。

      論文鏈接:

      M. Liu, N. Deng, J. Ju, L. Fan, L. Wang, Z. Li, H. Zhao, G. Yang, W. Kang, J. Yan, B. Cheng, Adv. Funct. Mater. 2019, 1905467. (DOI: 10.1002/adfm.201905467)

      https://doi.org/10.1002/adfm.201905467

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