再生丝素蛋白碳纳米纤维膜作为多功能夹层用于高性能锂硫电池

近年来，锂硫（Li-S）电池因具有高理论容量（1675 mAh g-1）和高能量密度（2600 Wh kg-1），被认为是最有发展前景的下一代高能可充电锂电池之一；此外，正极硫还具有无毒、储量丰富和廉价的优点。然而，由于硫导电性差，体积膨胀以及多硫化物的“穿梭效应”，所以导致了Li-S电池实际应用局限。针对以上问题，本文通过静电纺丝制备出生物质夹层，很好的改善了Li-S电池的电化学性能。

近日，浙江理工大学纺织科学与工程学院胡毅团队将蚕丝脱胶、溶解制成丝素蛋白，然后结合静电纺丝技术和碳化过程，制备出再生丝素蛋白纳米碳纤维膜（SCNF）作为Li-S电池的夹层。具有三维导电网络结构和高比表面积的丝素蛋白碳纳米纤维膜作为正极夹层，不仅提供了绝缘S/Li2S的快速电子通路，而且通过多孔骨架结构有效吸附溶解的多硫化物，抑制了穿梭效应。与此同时，将SCNF置于锂金属和隔膜间作为保护性夹层，对抑制锂枝晶生长，并减少由于未被吸附的多硫化物引起的锂金属腐蚀有明显的作用。在此基础上，发挥正、负极夹层的协同作用，Li-S电池在0.2 C（1C = 1675mA g^-1），200次循环后表现出799mA h g^-1高容量和低平均容量衰减率（0.018％）。1.0 C，500次循环后放电容量仍能保持在655mA h g^-1，库仑效率为97.3％。由此，这种基于丝素碳纳米纤维膜的生物质双夹层结构为先进的Li-S电池应对各种挑战开辟了另一条道路。相关研究成果“Carbonized regenerated silk nanofiber as multifunctional interlayer for high-performance lithium-sulfur batteries”发表于“Journal of Membrane Science”上。

图1 Li-S电池的组装模型，包括S正极、正极夹层、隔膜、负极夹层和Li金属负极。

图2 Li-S电池的电化学性能图。（a）0.2 C下，充放电容量和库伦效率图；（b）倍率性能图；（c）双夹层和负极夹层和（d）正极夹层和无夹层的EIS图；（e）1 C下，充放电容量和库伦效率图

图3 (a)无夹层、(b)负极夹层、(c)正极夹层和(d)双夹层Li-S电池不同扫速下的CV图以及（e-h）峰值电流随扫描速率的线性拟合图

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.memsci.2019.117349

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