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與傳統鋰離子電池相比，鋰硫（Li-S）電池具有超高的理論能量密度，被認為是一種很有前景的下一代儲能技術。然而，Li-S電池的實際應用仍然受到諸如穿梭效應和鋰枝晶不可控生長等臭名昭著的問題的阻礙。近年來，靜電紡絲技術的快速發展為制備柔性納米纖維材料提供了可靠的方法，并廣泛應用于作為載體、夾層和隔膜的Li-S電池，被認為是實現高能量密度柔性Li-S電池有前景的策略。

鄭州大學張鵬等介紹了用于柔性Li-S電池的靜電紡絲技術和各種基于靜電紡絲的納米纖維的基本介紹。更重要的是，基于所提出的數學模型強調了比容量、電解液/硫(E/S)比、硫負載和正極振實密度等關鍵參數，其中基于靜電紡絲納米纖維的Li-S電池分別實現了500 Wh kg^-1和700 Wh L^-1的高重量(WG)和體積(WV)能量密度。這些系統的總結不僅提供了納米纖維基電極設計的原理，而且為具有高WG和WV的商業化Li-S電池提供了啟發性的方向。

圖1 Li-S電池應用靜電紡絲技術的發展歷程

在正極方面，由于活性硫導電性差，導電碳質納米纖維被認為是最合適的選擇。為確保盡可能多的硫被封裝在納米框架中，人們開發并提出了各種由納米纖維組成的納米框架的結構調整方法。此外，在靜電紡絲過程或附加水熱過程中，極性基團被引入納米纖維中，以改善對多硫化物的吸附和催化作用，從而改善“穿梭效應”。

圖2 靜電紡絲技術和各種靜電紡絲納米纖維示意圖

當用作夾層時，靜電紡絲納米纖維的自支撐特性也顯示了其優勢：

1）多孔三維網絡結構充當自然物理攔截層；

2）嵌在納米骨架中的吸附性極性基團能有效地將多硫化物從電解液中捕獲，并將多硫化物作為儲層保留在納米孔中；

3）自支撐設計顯示了更好的自由度，消除了復雜的活性硫復合工藝。

然而，值得注意的是，額外引入的夾層應足夠輕和薄，否則，整個Li-S電池系統的實際能量密度將受到影響。將靜電紡絲聚合物薄膜應用于Li-S電池的隔膜中，還顯示出其重量輕、孔徑可調、熱穩定性好等優點。然而，靜電紡絲膜的厚度通常大于商用PP隔膜的厚度。許多類型的研究表明，靜電紡絲基納米纖維在限制正極側的多硫化物方面表現良好，從而更好地利用活性硫并延長循環壽命。

圖3 Li-S電池四個主要部件中使用的靜電紡絲納米纖維材料示意圖

在鋰金屬負極中的應用方面，靜電紡絲碳納米纖維的導電三維網絡結構可以均勻負極中的電荷分布，引導鋰離子沉積到光滑的鋰金屬中，從而抑制枝晶問題。

靜電紡絲碳納米纖維的表面處理已被證明能有效地提高與Li⁺和液態鋰金屬的表面親和力，這表明鋰金屬可以通過沉積或熔融擴散方法被限制在靜電紡絲納米框架內，以構建CNFs/Li負極，這與正極中的硫宿主策略類似。與銅箔集流體上傳統的鋰負極涂層相比，這些新型CNFs/Li負極提供了更平滑的鋰沉積/剝離過程以及更高的庫侖效率。

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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鄭大張鵬Adv. Sci.：靜電紡絲在鋰硫電池中的應用歷程

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