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與傳統(tǒng)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(rèn)為是一種很有前景的下一代儲能技術(shù)。然而，Li-S電池的實(shí)際應(yīng)用仍然受到諸如穿梭效應(yīng)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(shù)的快速發(fā)展為制備柔性納米纖維材料提供了可靠的方法，并廣泛應(yīng)用于作為載體、夾層和隔膜的Li-S電池，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高能量密度柔性Li-S電池有前景的策略。

鄭州大學(xué)張鵬等介紹了用于柔性Li-S電池的靜電紡絲技術(shù)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(shù)學(xué)模型強(qiáng)調(diào)了比容量、電解液/硫(E/S)比、硫負(fù)載和正極振實(shí)密度等關(guān)鍵參數(shù)，其中基于靜電紡絲納米纖維的Li-S電池分別實(shí)現(xiàn)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(tǒng)的總結(jié)不僅提供了納米纖維基電極設(shè)計的原理，而且為具有高WG和WV的商業(yè)化Li-S電池提供了啟發(fā)性的方向。

圖1 Li-S電池應(yīng)用靜電紡絲技術(shù)的發(fā)展歷程

在正極方面，由于活性硫?qū)щ娦圆?，?dǎo)電碳質(zhì)納米纖維被認(rèn)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(fā)并提出了各種由納米纖維組成的納米框架的結(jié)構(gòu)調(diào)整方法。此外，在靜電紡絲過程或附加水熱過程中，極性基團(tuán)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(yīng)”。

圖2 靜電紡絲技術(shù)和各種靜電紡絲納米纖維示意圖

當(dāng)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(yōu)勢：

1）多孔三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)充當(dāng)自然物理攔截層；

2）嵌在納米骨架中的吸附性極性基團(tuán)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(shè)計顯示了更好的自由度，消除了復(fù)雜的活性硫復(fù)合工藝。

然而，值得注意的是，額外引入的夾層應(yīng)足夠輕和薄，否則，整個Li-S電池系統(tǒng)的實(shí)際能量密度將受到影響。將靜電紡絲聚合物薄膜應(yīng)用于Li-S電池的隔膜中，還顯示出其重量輕、孔徑可調(diào)、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。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(cè)的多硫化物方面表現(xiàn)良好，從而更好地利用活性硫并延長循環(huán)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(fù)極中的應(yīng)用方面，靜電紡絲碳納米纖維的導(dǎo)電三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以均勻負(fù)極中的電荷分布，引導(dǎo)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(tài)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(kuò)散方法被限制在靜電紡絲納米框架內(nèi)，以構(gòu)建CNFs/Li負(fù)極，這與正極中的硫宿主策略類似。與銅箔集流體上傳統(tǒng)的鋰負(fù)極涂層相比，這些新型CNFs/Li負(fù)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(yīng)用歷程

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