东华大学刘天西教授AFM静电纺丝构建高兼容性硫化聚丙烯腈电极

　　硫化聚丙烯腈（SPAN）在碳酸酯类电解液中具有高度稳定性，能够抑制锂硫电池中多硫化物的溶解，被认为是最有前景的锂硫电池正极材料之一。但目前关于SPAN的研究发现其在醚类电解液中易发生分子重排现象，产生Li2Sx，导致电池性能的恶化。与碳酸酯类电解液相比，醚类电解液与锂金属负极具有更好的兼容性，而SPAN与醚类电解液较差的兼容性阻碍了其潜在应用。此外，SPAN的分子结构和电化学反应机理尚未明确，并且受到材料中理论硫含量的限制，其能量密度有待进一步提高。
　　针对以上问题，东华大学刘天西教授、王丽娜副教授等人以含有PAN和CNTs的N、N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液为原料，采用静电纺丝技术与热处理相结合的方法，制备了柔性自支撑SPAN/CNT纳米纤维膜，并将其作为锂硫电池的正极材料。此外，作者研究了其在不同电解液中的稳定性，合理的分子结构，并深入探讨了S在SPAN中的电化学转化机制。苏州大学功能纳米与软物质研究院（FUNSOM）赵宇教授等也参与了本项工作。研究发现，交织在一起的网络被热解成SPAN/CNT纳米纤维不仅能加速电荷转移，而且能提供快速的离子传输通道。放电过程中生成的硫化锂纳米薄片的活化作用决定了其充放电容量和倍率性能。例如，电流密度为800 mA g -1时，经过1000个循环后，比容量为1180mA h g−1，容量衰减较少，具有良好的实际应用前景。该论文以 ＂Sulfurized Polyacrylonitrile Cathodes with High Compatibility in Both Ether and Carbonate Electrolytes for Ultrastable Lithium–Sulfur Batteries＂ 为题，发表在国际顶级期刊Adv Funct Mater上。东华大学材料科学与工程学院硕士研究生王小飞为本文第一作者。
　　图1 SPAN/CNT电极合成工艺示意图以及形貌特征图。
　　通过对纤维电极在充放电过程中的形貌、化学成分及键接结构演化的分析表明：在放电过程中， SPAN发生了碳硫及硫硫键（C–S、S–S）的断裂并与Li+结合形成了硫化锂（Li2S），而在充电时，断裂的键又可逆地键合。在整个电化学反应过程中，在醚类电解液中无可溶性Li2Sx的产生，也无任何其它固态含硫中间产物的生成。也就是说，SPAN的锂化/去锂化反应基于固相转化机制，Li2S是唯一的含硫产物。此外，在首圈放电过程中，存在Li+与C=N键的寄生反应，该反应具有较差的可逆性。实验与计算结果表明，在随后的电化学反应过程中，在聚合物骨架上残留的Li+有利于提高聚合物电极的导电性。
　　论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.201902929
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