易丝帮盘点2018年静电纺丝纳米纤维在能源领域科研成果锦集

　　随着便携式电子设备、电动汽车和能源存储技术的快速发展，新的高效能源存储设备亟待开发。然而，传统的锂离子电池、超级电容器等产品是刚性的，在弯曲、折叠时，容易造成电极材料和集流体分离，影响电化学性能，甚至导致短路，发生严重的安全问题。因此，为适应下一代柔性电子设备的发展，柔性储能器件已成为近年来的研究热点。
　　近日，易丝帮小编整理了2018年电纺纳米纤维在能源环境领域的部分研究成果，以供读者了解其研究发展。
　　1. Energy Environ. Sci.：管/块串联锂硫正极材料
　　加拿大滑铁卢大学陈忠伟教授和华中科技大学王得丽教授合作在高能量和高循环性能锂硫电池方面取得新进展。结合静电纺丝和CVD技术，构筑了具有三维多孔道网络结构的自支撑复合薄膜（CPZC）。所得特殊的＂管/块＂复合结构薄膜具备良好的电导率和优异的固硫作用，能够实现13.5mg/cm2的高硫载量和E/S=3的低电解液用量（E/S：电解液/硫载量，mL/g），获得348.8 Wh/kg的体系能量密度。相关研究成果以＂Stringed ＂tube on cube＂ nanohybrids as compact cathode matrix for high-loading and lean-electrolyte lithium-sulfur batteries＂为题目发表在Energy & Environmental Science上。
　　文献链接: https://doi.org/ 10.1039/C8EE01377B
　　2. Adv. Mater.: 多硫化物固定化聚合物延缓锂硫电池多硫化物中间体的穿梭效应
　　清华大学张强教授及其团队报道了一种多硫化物固定化的聚合物用来解决穿梭问题。他们将富含含氧官能团（能与多硫化物产生强烈的键合作用）的阿拉伯树胶（GA）沉积在导电基体碳纳米纤维薄膜上（CNF）作为多硫化物屏蔽中间层。在1.1mg/cm2的硫载量的极片中，所制备的CNF-GA复合中间层能够实现高达880mAh/g的放电比容量并且循环250周后容量保持率为94%。更重要的是，在6和12mg/cm2的高载量情况下，能够实现4.77和10.8mAh/cm2的面积容量。该项研究结果为发展高载量的可逆锂硫电池提供了有前途的方法。相关研究成果以＂A Polysulfide‐Immobilizing Polymer Retards the Shuttling of Polysulfide Intermediates in Lithium–Sulfur Batteries＂为题目发表于Advanced Materials上。
　　文献链接：https://doi.org/10.1002/adma.201804581
　　3. Adv. Energy Mater.: 电纺PAN@APP隔膜助力安全和长循环锂硫电池
　　黑龙江大学李强教授、中国电子科技大学何伟东教授和熊杰教授团队将聚丙烯腈（PAN）和多磷酸铵（APP）电纺成隔膜（PAN@APP），获得了一种可以有效抑制PS溶解并提高高温性能的非易燃多功能隔膜。由于APP中丰富的胺基和磷酸根，PAN@APP隔膜与PS具有强烈的相互作用，通过强电荷排斥作用可以抑制PS离子和自由基的传输。此外，耐火APP可以确保电池在高温下循环的稳定性。PAN@APP隔膜使Li–S电池在800次循环后容量保持率仍维持在83%。这项工作为稳定和安全的Li–S电池提供了一个材料平台，并指出了一个使Li–S电池成为下一代电化学转换/存储设备的努力方向。相关研究成果以＂A Nonflammable and Thermotolerant Separator Suppresses Polysulfde Dissolution for Safe and Long-Cycle Lithium-Sulfur Batteries＂为题目发表于Advanced Energy Materials上。
　　文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201802441
　　4. Adv. Energy Mater.: 高容量磷功能化硬碳材料的储钠机理
　　北京理工大学吴锋院士团队的吴川教授和白莹教授研究小组与美国阿贡国家实验室陆俊教授（共同通讯）采用静电纺丝技术制备磷功能化的硬碳材料，这一材料比表面积低、电压平台也很低，能够得到较高的脱钠容量和能量密度，首周容量高达 393.4 mA h g-1，100周循环后容量保持率为 98.2%。相关研究成果以＂Insights into the Na+ Storage Mechanism of Phosphorus-Functionalized Hard Carbon as Ultra-High Capacity Anodes＂为题目发表于Advanced Energy Materials上。
　　文献链接：https://doi.org/ 10.1002/aenm.201702781
　　5. ACS Nano：自驱动静电纺丝系统制备锂离子电池负极材料
　　清华大学徐盛明研究员课题组、中科院北京纳米能源与系统研究所曹霞教授和王中林院士课题组合作报道了一种基于自供电静电纺丝系统的LIBs负极材料的节能制备方法。该系统由旋转式摩擦纳米发电机（r-TENG），倍压整流电路和静电纺丝单元组成，通过收集手柄旋转产生的动能，r-TENG完全可以为静电纺丝系统提供电能，无需任何外接电源，真正实现了系统的＂自供能＂。该研究从一个全新的角度出发，不仅降低了LIBs电极材料的制备成本，而且为所有应用纤维的领域降低了能耗。相关研究成果以＂Si@void@C Nanofibers Fabricated Using a Self-Powered Electrospinning System for Lithium-Ion Batteries＂为题发表在ACS Nano上。
　　文献链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.8b01558
　　6. Adv. Funct. Mater.: 双重PEO协同效应促成低阻抗集成式全固态锂电池
　　清华大学深圳研究院的贺艳兵副教授研究组基于PEO与Li7La3Zr2O12纳米线复合电解质的全固态锂电池的研究成果。使用负载10%LLZO纳米线的PL(PEO-LiTFSI)基质设计了一种低阻抗集成式全固态锂电池。为了达到高离子电导、良好界面接触和正极内部快速的离子传导，他们将LLZO纳米线均匀地分散在PL内部形成了固态复合电解质体系（PLLN），并且将PL作为正极粘结剂使用。正极中的PL和电解质PLLN在高温下熔融使得整个电池成为集成式的整体，这不仅有效降低了正极与电解质界面处的阻抗，还有利于正极内部的离子传导。此外，集成式结构能够适应电化学循环过程中的体积变化，增强正极与电解质之间的亲和力和接触稳定性。相关研究成果以＂Low Resistance-Integrated All-Solid-State Battery Achieved by Li7La3Zr2O12 Nanowire Upgrading Polyethylene Oxide(PEO) Composiye Electrolyte and PEO Cathode Binder＂为题目发表于Advanced Functional Materials 上。
　　文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201805301
　　7. Adv. Funct. Mater.: 超小磷铁钠矿NaFePO4纳米粒子用作高性能钠离子电池正极材料
　　北京科技大学范丽珍教授与刘永畅副教授利用静电纺丝技术将平均尺寸仅1.6nm的超小磷铁钠矿NaFePO4纳米粒子均匀镶嵌入多孔氮掺杂的碳纳米纤维。论文揭示了超小纳米尺寸效应以及高电位脱钠过程能够将通常认为是电化学非活性的磷铁钠矿相NaFePO4转变为高活性的无定型相，同时获得高的可逆容量（0.2 C下145 mA h g-1），优异的倍率性能（50 C下61 mA h g-1），以及超长的循环寿命（6300周循环后容量保持率约89%）。此外，将此NaFePO4@C纳米纤维正极与纯碳纳米纤维负极匹配组装钠离子全电池，依旧展现出较高的能量密度和循环稳定性。相关研究成果以＂Approaching the Downsizing Limit of Maricite NaFePO4 toward High-Performance Cathode for Sodium-Ion Batteries＂为题目发表于Advanced Functional Materials 上。
　　文献链接：https://doi.org/10.1002/adfm.201801917
　　8. Nano Enery：电纺金属有机骨架纳米粒子纤维及其衍生的电催化剂
　　中国科学技术大学俞书宏团队利用电纺丝法制备BMZIFs电纺丝多孔碳材料的简便方法。通过碳化MOFs纳米纤维，制备出具有高电催化性能的MOFs衍生Co/N掺杂的多孔碳纤维，由基于ZIF-8和ZIF-67的双金属沸石咪唑啉骨架纳米粒子(BMZIFs)的电纺辅助组装而成的。此外，该研究还系统地研究了组装和锌/钴比对电纺纤维衍生物氧还原反应性能的影响。相关研究成果以＂Electrospun metal-organic framework nanoparticle fibers and their derived electrocatalysts for oxygen reduction reaction＂为题目发表于Nano Energy上。
　　文献链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.10.029
　　9. Nano Energy：相互连接的核壳碳纳米球构建纤维网用于高性能锂硫电池
　　厦门大学方晓亮副教授课题组开发了一种简便的静电纺丝方法，用于合成互连的核壳结构碳纳米球组装纤维网，以构建自支撑硫正极材料。受益于高表面积、氮原子掺杂以及核与壳之间的协同作用，核-壳碳纤维有望成为高硫负载Li-S电池的硫主体材料。含有70wt％和4mgcm-2的硫，核-壳碳纤维网衍生的自支撑正极在1C电流密度下循环500次后表现出82.8％的高容量保持率。因此，这项工作为开发高性能Li-S电池的提供了新策略。相关研究成果以＂Fiber network composed of interconnected yolk-shell carbon nanospheres for high-performance lithium-sulfur batteries＂为题目发表于Nano Energy上。
　　文献链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.10.001
　　10. Nano Energy：纤维碳骨架包覆Li2TiSiO5纳米颗粒实现快速稳定的锂存储
　　香港中文大学张立团队采用电纺丝法制备了前驱体纳米纤维膜，固化的纳米纤维均匀分布。在随后的热解过程中，PVP被碳化成相互连接的3D碳骨架，并且纳米纤维形貌得到了很好的保持。同时，将均匀分布的Li、Ti、Si前驱体转化为小的LTSO纳米颗粒，原位均匀地包覆在碳纳米纤维中获得Li2TiSiO5/纳米碳纤维（LTSO/C）。具有独特3D互连纳米结构的LTSO/C电极表现出高速率行为（即50％容量保持率为0.1至10 A g-1），适合的Li+插入电位（0.1-1 V vs. Li）/Li+），高填充密度1.93g cm-3。因此，该研究所提出的材料和纳米结构的设计对于构建快速和稳定的能量存储装置的具有很大的参考价值。相关研究成果以＂In-Situ Encapsulation of Pseudocapacitive Li2TiSiO5 Nanoparticles into Fibrous Carbon Framework for Ultrafast and Stable Lithium Storage＂为题目发表于Nano Energy上。
　　文献链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.10.052
　　11. Angew. Chem. Int. Ed.: 氧化锡缺陷掺杂调控用于高性能钠离子电池
　　深圳大学张培新教授和佐治亚理工学院林志群教授课题组研究人员通过静电纺丝方法制备碳纳米纤维包覆的氧空位掺杂的SnO2-x纳米粒子材料，极大地改善了钠离子电池材料的性能。SnO2-x/C复合材料能够直接用作SIB的电极，不需要添加粘合剂和导电添加剂，因此不仅能显着增加电池的能量密度，而且还显示出在柔性能量存储装置中的应用前景。相关研究成果以＂Robust SnO2−x Nanoparticle-Impregnated Carbon Nanofibers with Outstanding Electrochemical Performance for Advanced Sodium‐Ion Batteries＂为题目发表于Angewandte Chemie Intternational Edition上。
　　文献链接：https://doi.org/10.1002/anie.201811152
　　12. Sci. Adv.: 新型阻燃性电纺核壳微纤维用于锂离子电池隔膜
　　斯坦福大学崔屹教授课题组为锂离子电池制造了一种具有阻燃性能的新型电纺核壳微纤维隔膜。如图1所示，自支撑隔膜通过静电纺丝制造的具有核-壳结构微纤维组成，其中磷酸三苯酯(TPP)(一种有机磷基阻燃剂)作为核，聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)(PVDF-HFP)作为壳。在PVDF-HFP保护性聚合物壳(TPP@PVDF-HFP)内封装TPP防止阻燃剂直接暴露于电解质，并且大大减缓了其溶解，防止了阻燃剂对电池电化学性能的负面影响。此外，如果发生锂离子电池的热失控，PVDF-HFP聚合物壳会随着温度的升高而熔化，然后封装的TPP阻燃剂将释放到电解液中，从而有效地抑制高度易燃电解质的燃烧。因此，利用电池中的这种智能和适应性材料，避免了在电解质不燃性和电池的电化学性能之间进行权衡。相关研究成果以＂Electrospun core-shell microfiber separator with thermal-triggered flame-retardant properties for lithium-ion batteries＂为题目发表于Science Advances上。
　　文献链接：http://advances.sciencemag.org/content/3/1/e1601978
　　13. Energy Storage Mater.: 自支撑SnS/C纳米纤维膜作为柔性锂/钠离子电池高性能负极
　　湘潭大学刘黎教授和华盛顿大学曹国忠教授（共同通讯作者）课题组首先将DMF、SnCl2·2H2O和PVP配成混合溶液通过静电纺丝获得前驱体纤维膜，随后将其在空气中煅烧稳定纤维结构后，再将此纳米纤维膜在通Ar/H2气体的管式炉中硫化(Ar/H2气氛上游放置硫脲)，最后再高温碳化制得SnS/C纳米纤维膜。相关研究成果以＂Free-Standing SnS/C Nanofiber Anodes for Ultralong Cycle-life Lithium-ion Batteries and Sodium-ion Batteries＂为题目发表于Energy Storage Materials上。
　　文献链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.08.005
　　14. Energy Storage Mater.: 氮硫共掺杂碳纤维包覆SnS纳米颗粒用于高性能钠离子电池
　　中南大学潘安强教授和梁叔全教授（共同通讯作者）团队研究人员通过静电纺丝法成功合成了氮、硫共掺杂介孔碳纤维包覆SnS纳米颗粒（SnS@SNCF-55）的复合材料。当其用于钠离子电池负极时，表现出优异的循环和倍率性能。相关研究成果以＂Tin Sulfide Nanoparticles Embedded in Sulfur and Nitrogen Dual-Doped Mesoporous Carbon Fibers as High-Performance Anodes with Battery-Capacitive Sodium Storage＂为题目发表于Energy Storage Materials上。
　　文献链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.08.014
　　15. Energy Storage Mater.: 静电纺丝制备SnSb纳米颗粒/富氮多孔碳纳米线复合材料提高钠离子电池的循环寿命
　　南开大学材料科学与工程学院周震教授课题组通过静电纺丝的方法将尺寸为20nm以内的SnSb纳米颗粒嵌入到直径为~200-300nm的一维氮掺杂多孔碳纳米线中（SnSb/N-PCNWs），直接避免了Sn盐和Sb盐的水解问题，同时，巧妙地利用尿素来增加碳纳米线的氮功能基团的含量（从9.84%增加到11.89%），改善复合材料的电子结构，通过高比例赝电容的能量存储形式提升材料的倍率性能。当其作为钠离子电池负极材料时，在2A/g的大电流密度下，可以稳定循环10000圈且无明显的容量衰减。作者从动力学过程、相转变、合金/去合金化反应的可逆程度及结构的稳定性多方面详细分析了SnSb/N-PCNWs复合材料具备超稳定循环性能及优异的倍率性能的原因。相关研究成果以＂Highly reversible alloying/dealloying behavior of SnSb nanoparticles incorporated into N-rich porous carbon nanowires for ultra-stable Na storage＂为题目发表于Energy Storage Materials上。
　　文献链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.12.015
　　16. J. Mater. Chem. A: 电纺交联结构碳纳米纤维膜用于钠离子电池负极
　　北京化工大学周继升教授课题组选用硝酸铜（Cu(NO3)2）作为交联剂，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为纺丝前驱体。通过静电纺丝和随后的碳化处理，一步得到了具有交联结构的柔性碳纳米纤维薄膜。这是首次利用硝酸铜作为纤维之间的交联剂，同时也是首次为钠离子电池开发具有交联结构的碳纳米纤维薄膜作为负极材料，并且这种薄膜展现出良好的倍率性能和稳定的循环性能。这种碳纳米纤维薄膜作为一种不添加粘结剂和导电剂的电极材料，在柔性储能设备之中展现了巨大的应用潜力。相关研究成果以＂Electrospun cross-linked carbon nanofiber films as free-standing and binder-free anodes with superior rate performance and long-term cycling stability for sodium ion storage＂为题目发表Journal of Materials Chemical A上。
　　文献链接：https://doi.org/10.1039/C7TA05621D
　　17. Small: 柔性富硫氮掺杂多通道中空碳纳米纤维膜用于改善储钠性能
　　中国科学技术大学余彦教授课题组通过静电纺丝技术和热处理升华硫制备富硫N掺杂多通道中空碳纳米纤维（表示为S-NCNF）膜作为柔性钠离子电池（NIB）的负极材料。S-NCNF薄膜具有优异的电化学性能，特别是具有高倍率容量（电流密度为10 A g-1时为132 mA h g-1）和显著的长循环稳定性（2 A g-1电流密度下经过2000次循环后可逆比容量为187 mA h g-1）。材料具有丰富的缺陷和较大的的层间距，这种独特的3D结构改善了钠储存性能。密度泛函理论计算表明掺杂硫的含氮碳纳米纤维不仅可以促进钠的吸附，而且有利于电子的转移。因此，该方法是设计具有其他杂原子掺杂的自支撑碳基薄膜的提供一种新思路。相关研究成果以＂A Flexible Sulfur‐Enriched Nitrogen Doped Multichannel Hollow Carbon Nanofibers Film for High Performance Sodium Storage＂为题目发表于Small上。
　　文献链接：https://doi.org/10.1002/smll.201802218
　　18. ACS Appl. Mater. Interfaces: 高可靠性和高能量密度生物相容性对称钠离子微电池
　　研究者构建了一种具有自支撑结构、高安全性和高能量存储能力的生物相容性对称钠离子微电池，并在IMDs中得到了应用。在这项工作中，作者采用静电纺丝、静电喷雾、碳化相结合的方法构建了球形网络结构的薄膜电极。静电纺丝和静电喷雾技术的相结合使活性物质/碳球均匀地加入到碳纳米纤维基体中，从而产生了结构稳定、电子/离子传输速度快、负载量高的电极。柔性微电池是基于交叉数字化微电极和生物相容电解质制备而成，为生物电子技术提供了一种新的可植入电源。对称钠离子微电池是由基于Na2VTi(PO4)3的双功能电极和生物相容电解质构成的。将高容量保持(98%以上)和高稳定性的微电池植入一只活SD大鼠体内一个月，进一步证明了其长期体内诊断的高可靠性。因此，该研究为开发高可靠性、高能量密度的可植入生物电子电源提供了新的思路。相关研究成果以＂Biocompatible Symmetric Na-ion MicroBatteries with SphereIn-NetworkHeteronanomat Electrodes realizing High Reliability and High Energy Density for Implantable Bio-Electronics＂为题发表于ACS Applied Materials Interfaces 期刊上。
　　文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b14918
　　19. ACS Appl. Mater. Interfaces: GeP5纳米颗粒包覆于纳米纤维以提高其热/电化学稳定性
　　华中科技大学李会巧教授和翟天佑教授（共同通讯作者）课题组通过静电纺丝将GeP5纳米颗粒嵌入到碳纳米纤维，成功地获得了均匀的碳包覆GeP5纳米纤维（GeP5@C-NF）。碳包覆GeP5的热稳定性可提高到600°C以上，从而提高电池的安全性。纳米GeP5嵌入碳基质中的纳米纤维结构可以极大地缓冲锂化过程中的大体积变化并提供快速电子传输，从而有助于延长循环寿命（200次循环后> 1000 mA h g-1）和高倍率性能（在2000 mA g-1下为803 mA h g-1）。因此，该方法可以用来设计制备其他金属磷化物纳米材料。相关研究成果以＂Morphology Processing by Encapsulating GeP5 Nanoparticles into Nanofibers toward Enhanced Thermo/Electrochemical Stability＂为题目发表于ACS Applied Materials Interfaces上。
　　文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b10462
　　链接地址：http://www.espun.cn/news/detail-632.html
　　文章来源：http://www.espun.cn/news/detail-632.html