高通量Janus纤维隔膜的可控构筑及其对多硫化物穿梭效应的抑制研究

Membrane separators, as the channel for both Li+ and polysulfide to pass through, play a significant role in the lithium-sulfur battery. This project aims to construct a novel multifunctional Janus porous fibrous membrane separator by combining metal organic frameworks (MOFs) with in-situ modified polyacrylonitrile nanofibrous membrane and its derivatives following carbonization, with the aim to simultaneously achieve both high separator flux and selectivity. The “structure-activity” relationship of this Janus separator will be closely analysed and studied and the multiple inhibition mechanism on the polysulfide shuttle effect and the synergistic relationship of each membrane layer will be evaluated. The influence of both the Janus separator nanofiber skeleton and the MOFs modification will be studied, and the optimum separator preparation conditions and the best MOFs modification methods will be obtained, with the aim to greatly lower the required separator quality and improve the separator functionality. The dynamic action mechanism and the late failure mechanism of the Janus separator will be elaborated by establishing reliable performance evaluation and iteratively using this information in the early-stage design of the separator. New and more effective methods will be obtained to achieve both high-flux Li+ migration and the effective inhibition shuttle effect. This project will provides rational input to the design and development of high-performance lithium-sulfur battery separators, as well as also providing novel technique(s) for the application of electrospun nanofibrous membrane and MOFs materials in battery separators. Therefore, this project has great academic significance and practical value.

隔膜作为Li+扩散和多硫化物穿梭的必经通道，在锂硫电池中扮演着关键角色。本项目拟结合金属有机骨架化合物（MOFs）原位修饰的聚丙烯腈纳米纤维膜及其碳化衍生膜构筑一种全新的Janus多孔纤维隔膜，力求解决目前隔膜高通量与高选择性难以兼顾的难题。通过对该Janus隔膜进行“构-效”关系解析，阐明其对多硫化物穿梭效应的多重抑制机制及协同作用关系。探究隔膜纳米纤维骨架和MOFs修饰体调控的影响规律，获取最佳的隔膜制备条件及MOFs修饰方法，实现减小隔膜质量与提高隔膜功能作用的双重目标。通过建立可靠的隔膜性能评价指标，阐明该Janus隔膜的动态作用机制及后期失效机制，反馈于隔膜前期设计，获取兼顾Li+高通量迁移和有效抑制穿梭效应的新方法。本项目不仅可为高性能锂硫电池隔膜的设计研发提供良好思路，还可为静电纺丝纤维膜及MOFs材料在电池隔膜中的应用提供必要的创新技术支持，具有重要的学术意义和实用化价值。

锂硫电池被认为是后锂离子电池时代最具潜力的储能系统之一，但多硫化物中间体严重的穿梭效应仍亟待解决。隔膜作为与正负极直接接触的重要介质和离子扩散的必经通道，除了保证锂离子通过并阻碍电子传输外，在抑制多硫化物跨膜穿梭问题时亦扮演重要角色。因此，研发能兼顾实多硫化物穿梭效应抑制和Li+高效迁移的高通量Janus纤维隔膜并对其功能作用机制进行深入解析，具有重要的学术意义和实际应用价值。. 基于此，本项目研发了一系列高性能锂硫电池隔膜材料，并对其合成方法、材料特性、电化学性能、构效功能机制、实际应用潜力等方面进行了全面解析。主要研究内容和结论如下：（1）基于Janus结构设计理念构筑了一种“三位一体”柔性纳米纤维膜，有效克服了电池中相邻组件因反复弯曲形变所产生的位移和分离等问题，并协同实现了多硫化物锚定、电子/离子的高效传导和高硫面载量；（2）为了优化纳米纤维隔膜对于多硫化物穿梭效应的抑制能力并兼顾提升其安全性能，基于静电纺丝芳纶纳米纤维和原位生长的MOFs纳米片再次构建了一种锂硫电池多功能纤维隔膜。该隔膜不仅有利于锂离子高通量迁移并可有效抑制多硫化物穿梭效应，还具有较高的热稳定性且可实现金属锂负极的均匀沉积。（3）对纳米纤维隔膜骨架材料及其MOFs修饰体进行协同调控优化，制备出了ZIF-8纳米颗粒改性的氟化芳纶纤维隔膜，展示了高的电解液亲和性、优异的耐温性能、出色的多硫化物抑制能力以及稳定的电化学循环表现；（4）基于锂硫电池隔膜的短期应用考虑，又在并不影响商用聚丙烯隔膜原有孔隙结构的前提下，分别制备了具有“亲硫”和“亲锂”特性的Janus功能隔膜，并最终实现了商用隔膜的双面功能化改性，仅以增加11%隔膜重量的代价，实现了比常规隔膜高16倍的初始面容量。此外，本项目也开展了（5）可匹配高通量隔膜的硫正极材料研发和（6）多应用拓展研究，取得了系列研究成果。本项目可为高通量纤维隔膜在锂硫电池及其它应用领域中的发展提供实验数据和理论支撑。