1.成果简介

锂硫（Li-S）电池因其令人印象深刻的能量密度和硫的可负担性，作为一种前景广阔的储能解决方案而备受关注。然而，锂硫电池在实际使用中遇到了一些主要障碍，如多硫化物穿梭效应会导致容量损失和循环稳定性降低。本文，宁波工程学院林陈晓、三峡大学 郑勇、安徽工业大学 闫岩、 刘明凯等研究人员在《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》期刊发表名为“Safe, Facile, and Straightforward Fabrication of Poly(N-vinyl imidazole)/Polyacrylonitrile Nanofiber Modified Separator as Efficient Polysulfide Barrier Toward Durable Lithium–Sulfur Batteries”的论文，研究通过一种简便的电纺丝策略，构建了一种聚乙烯咪唑/聚丙烯腈（PVIMPAN）纳米纤维改性的 Celgard 隔膜，并将其用作锂-S电池的多硫化物屏障。

PVIMPAN隔膜表面引入的缺电子咪唑基团形成了一道屏障，可防止多硫化物穿梭并延长循环寿命。此外，与商用Celgard分离剂（0.20）相比，所开发的PVIMPAN分离剂的锂转移数显著提高，达到0.60。这种增强可归因于咪唑基团与双（三氟甲基磺酰基）亚胺阴离子之间强大的结合能，从而提高了锂的电镀和剥离性能。因此，在锂-S电池中加入PVIMPAN隔膜后，在1C（25 °C）条件下循环500次后，放电容量可达786.0 mAh g+-1，库仑效率接近100%。相信这项工作能为金属硫电池设计合适而坚固的隔膜提供有价值的启示。

2.图文导读

图1、a）PVIM合成的示意图，通过静电纺丝制备PVIMPAN隔膜，以及PVIMPAN在 Li-S电池中的作用。b）PVIMPAN、PAN和PP隔膜的数字图像。c）FT−IR光谱，以及 d）隔膜的XRD图谱。

图2、a-c）PVIMPAN、d-f） PAN 和 g-i） PP 隔膜的SEM图像和横截面。

图3、a) 25 °C时分离器的电导率和PVIM与TFSI -的结合能。b)锂电池|分离器|锂电池（10 mV）的时变测量法。c) 25 °C时，电流密度为1 mA cm-2和等容量为1 mAh cm-2的锂电池|分离器|铜电池的库仑效率随循环次数的变化。使用d) PP、e) PAN 和 f) PVIMPAN分离剂进行库仑效率测试后铜收集器的SEM图像。电解液为1 M LiTFSI在1,3-dioxolane (DOL)/1,2-dimethoxyethane (DME)中的溶液，其中含有2.0 wt.%的LiNO3。

图4、a)多硫化物在H型电池中0、0.5、3和12小时后通过PP、PAN和PVIMPAN分离剂扩散的数字图像。b)初始结构、c)优化结构以及通过DFT计算的PAN和PVIMPAN与Li2S6的结合能。

图5、KB/S|隔膜|Li纽扣电池中不同隔膜的电化学性能。

3.小结

  总之，我们通过电纺丝策略制备了一种有效的聚乙烯咪唑/聚丙烯腈纳米纤维涂层分离器。该制备方法简便、安全、直接。实验结果和DFT计算均证实，这种改性引入了缺电子咪唑基团，可有效抑制TFSI阴离子或多硫化物。这些优点提高了锂离子传输数，抑制了多硫化物的穿梭效应，并使这些PVIMPAN分离剂能高效地镀锂和剥离锂离子。因此，使用PVIMPAN隔膜的锂离子电池具有出色的速率性能，在1C（25 °C）条件下循环500次后，比容量高达786.0 mAh g-1，库仑效率约100%。这一容量大大超过了PAN或PP分离器。因此，这种PVIMPAN隔膜有可能扩大锂-S电池高性能隔膜的应用范围，并有望应用于各种碱金属硫电池。虽然电纺丝是在商用隔膜上制造纳米纤维层的直接方法，但其大规模应用受到生产速度慢和设备昂贵的限制。通过电纺丝扩大纳米纤维的生产规模仍然是一项挑战。

文献：

第一作者：林陈晓、Ping Feng

通讯作者：Ping Feng*，郑勇*, 闫岩*, 刘明凯*

单位：宁波工程学院，三峡大学，安徽工业大学