谷斌斌，劉雅慧，王浩浩

（溫州大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，浙江省碳材料技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 溫州 325027）

自19 世紀(jì)工業(yè)革命以來(lái)，人們對(duì)能源的消耗日益增長(zhǎng)，石油等不可再生能源的過(guò)度開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致了極端氣候頻發(fā)、全球變暖等環(huán)境問(wèn)題，嚴(yán)重威脅人類的可持續(xù)發(fā)展，因此亟需尋找可替代的清潔可再生能源，以面對(duì)不可再生能源枯竭和環(huán)境污染的挑戰(zhàn)[1]。近年來(lái)，鋰離子電池憑借其優(yōu)越的性能，被認(rèn)為是電網(wǎng)儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車領(lǐng)域最具吸引力的儲(chǔ)能裝置[2-3]。但鋰離子技術(shù)可能已經(jīng)達(dá)到了極限，尤其是在下一代電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的能源需求方面。

鋰硫（Li-S）電池的概念由Herbert 和Ulam等人在20 世紀(jì)60 年代首次提出[4]并逐漸進(jìn)入人們的視野。與鋰離子電池相比，Li-S 電池具有1675mAh·g-1的高理論容量和2500Wh·kg-1的高能量密度[5]。同時(shí)，地殼中豐富的硫元素，可以顯著降低Li-S 電池作為主要活性正極材料的成本。憑借這些優(yōu)勢(shì)，Li-S 電池成為有希望用于大規(guī)模儲(chǔ)能的下一代電池候選者之一。然而，仍有許多挑戰(zhàn)阻礙Li-S 電池的商業(yè)化進(jìn)程，如硫元素的絕緣性，正極在充放電過(guò)程中的體積改變，可溶性的放電產(chǎn)物中間體的穿梭效應(yīng)等。

近年來(lái)，研究者們提出了插層膜的概念，即在Li-S 電池中添加一層功能性材料，以解決Li-S 電池的挑戰(zhàn)。研究者們認(rèn)為，插層膜的設(shè)計(jì)需要滿足以下幾點(diǎn)要求：1）擁有良好的導(dǎo)電性和Li+傳輸能力；2）盡可能的輕?。?）對(duì)多硫化物有良好的吸附效果。本文總結(jié)了近幾年Li-S 電池插層膜設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1 鋰硫電池的充放電機(jī)理

典型的Li-S 電池構(gòu)造由4 個(gè)主要部分組成：硫正極、鋰金屬負(fù)極、隔膜和醚類電解質(zhì)(圖1)，2個(gè)電極由聚合物隔膜分離。放電時(shí)，鋰離子通過(guò)隔膜從負(fù)極擴(kuò)散到正極，電子則通過(guò)外部電路移動(dòng)到正極[6]。在放電過(guò)程中，S8環(huán)斷裂，逐步還原為多硫化鋰（LiPSs），最終形成Li2S 沉淀。負(fù)極和正極之間發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)可總結(jié)為以下反應(yīng)：

圖1 Li-S 電池的結(jié)構(gòu)示意圖

在Li-S 電池的正負(fù)極之間發(fā)生充電/放電過(guò)程時(shí)，電池循環(huán)過(guò)程中發(fā)生的多電子反應(yīng)使得電化學(xué)過(guò)程變得復(fù)雜[7]。如圖2 所示，Li-S 電池的放電曲線通常顯示2 個(gè)典型的電壓平臺(tái)。電池放電時(shí)，固體S8首先被還原成可溶性的長(zhǎng)鏈LiPSs（Li2Sn，6 ≤n≤8），對(duì)應(yīng)約2.35V 的放電平臺(tái)。后續(xù)的斜坡意味著長(zhǎng)鏈LiPSs 到短鏈LiPSs 的轉(zhuǎn)化（Li2Sn，4 ≤n≤6）。這2 個(gè)階段的放電容量，約占總放電容量的1/4。在這期間，由于濃度梯度，產(chǎn)生的可溶性LiPSs 透過(guò)隔膜到達(dá)鋰金屬負(fù)極，并與鋰金屬發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生了穿梭效應(yīng)。隨著放電過(guò)程的進(jìn)行，在約2.1V 處出現(xiàn)的放電平臺(tái)，對(duì)應(yīng)短鏈LiPSs進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)i2S2/Li2S，這個(gè)階段貢獻(xiàn)了總放電容量的3/4。在這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生的不可溶Li2S2/Li2S，再次沉積到硫正極上[6]。充電過(guò)程中，Li2S 通過(guò)逆反應(yīng)，可逆地氧化成S8。總的來(lái)說(shuō)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，Li-S 電池會(huì)發(fā)生固-液-固的轉(zhuǎn)變，這與其他電池系統(tǒng)有很大的不同[8]。

圖2 Li-S 電池的充/放電平臺(tái)和相應(yīng)的產(chǎn)物

2 鋰硫電池插層膜的研究進(jìn)展

在隔膜和電極之間引入特定的插層膜，或設(shè)計(jì)改性隔膜，是提高Li-S 電池的電化學(xué)性能的一種簡(jiǎn)單有效的途徑。一般來(lái)說(shuō)，正極側(cè)的插層膜可以抑制LiPSs 的穿梭，促進(jìn)LiPSs 的轉(zhuǎn)化，從而提高硫的利用率，優(yōu)化電池的容量和循環(huán)性能[9]。因此，在設(shè)計(jì)正極側(cè)插層膜時(shí)應(yīng)當(dāng)注意幾個(gè)條件，比如能夠有效攔截LiPSs 穿梭、提供高效的Li+傳輸效率等。Li-S 電池中的隔膜不僅可以防止正極和負(fù)極直接接觸，還可為L(zhǎng)i+提供傳輸通道。隔膜的改性主要是改變隔板的孔徑和結(jié)構(gòu)，因此插層膜的構(gòu)建對(duì)高性能的Li-S 電池有重要貢獻(xiàn)。可溶性的LiPSs 穿過(guò)隔膜后，會(huì)與金屬鋰發(fā)生反應(yīng)，或轉(zhuǎn)化為不可溶的硫化鋰停留在負(fù)極側(cè)，導(dǎo)致活性物質(zhì)流失，電池容量下降。正極插層膜作為正極外部的屏障，可用于解決LiPSs 溶解和穿梭的問(wèn)題。

2.1 碳基材料插層膜

在正極和隔膜之間引入碳插層膜，是阻止LiPSs遷移的方法之一[10]。多種碳基材料如碳納米管(CNTs)、石墨烯(Gh)、多孔碳、碳納米纖維(CNF)等，都已應(yīng)用于插層膜。

單壁碳納米管(SWCNTs) 和多壁碳納米管(MWCNTs)的柔性插層膜，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和機(jī)械柔韌性，能夠在充/放電過(guò)程中緩沖硫的大體積變化，而且不會(huì)帶來(lái)明顯的阻抗增加[11]，同時(shí)CNTs插層膜還可以通過(guò)物理阻擋來(lái)限制LiPSs 的擴(kuò)散。Manthiram 等人[12]提出了一種獨(dú)立的MWCNTs 插層膜作為L(zhǎng)i-S 電池的插層膜。多孔MWCNTs 插層膜可以吸附LiPSs，并通過(guò)物理限制阻礙LiPSs 穿梭。MWCNTs 插層膜具有高電子電導(dǎo)率，因此正極的電荷轉(zhuǎn)移電阻大大降低。此后，基于CNTs 的Li-S 電池插層膜的研究，引起了研究者的廣泛興趣，Li-S電池領(lǐng)域的插層膜研究得以迅速發(fā)展。CNTs 網(wǎng)絡(luò)的插層膜抑制LiPSs，主要是通過(guò)物理吸附實(shí)現(xiàn)的，但物理吸附的強(qiáng)度太弱，不足以有效減少穿梭效應(yīng)，因此各種可以對(duì)LiPSs 產(chǎn)生強(qiáng)化學(xué)吸附的材料被摻雜到CNTs 結(jié)構(gòu)中，用作復(fù)合插層膜。

具有特定原子的CNTs 基化合物，通過(guò)化學(xué)鍵與硫物種的相互作用，顯示出優(yōu)秀的抑制穿梭效應(yīng)的能力，因此經(jīng)常被用作插層膜中的有效成分。例如在設(shè)計(jì)良好的Li-S 電池中，引入一種超薄且輕質(zhì)的CNTs/MoS2插層膜涂覆的聚丙烯(PP)隔膜（圖3）[13]。導(dǎo)電CNTs 網(wǎng)絡(luò)促進(jìn)了電荷轉(zhuǎn)移以及Li2S/Li2S2與硫物種之間的快速轉(zhuǎn)化，MoS2納米片則通過(guò)化學(xué)相互作用，有效限制LiPSs 的擴(kuò)散。因此，與帶有原始隔膜（無(wú)涂層）的電池相比，改良后的Li-S 電池表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能（圖4）。此外，插入CNTs/MoS2插層膜后，在第5 次循環(huán)后靜置5h，在存在插層膜和不存在插層膜的情況下，電池分別顯示出15.6%和60.7%的容量衰減（圖5）。這一結(jié)果表明電池的自放電得到顯著抑制。

圖3 含CNTs/MoS2 插層膜的Li-S 電池示意圖

圖4 具有CNTs/MoS2 插層膜隔膜和原始隔膜的電極的倍率圖

圖5 具有CNTs/MoS2 插層膜隔膜和原始隔膜的電極的循環(huán)性能

穿梭效應(yīng)是導(dǎo)致Li-S 電池自放電的主要原因之一，人們已經(jīng)為解決這個(gè)問(wèn)題付出了巨大的努力。在這項(xiàng)工作中，由于固有的高導(dǎo)電性和出色的LiPSs捕獲能力，CNTs/MoS2插層膜被證明在抑制自放電方面是有效的，這為制造具有長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性的高性能Li-S 電池提供了一種研究思路。

一維的CNTs組裝插層膜具有多孔性和柔韌性，除了物理抑制穿梭效應(yīng)外，還能夠解決硫正極的體積變化和導(dǎo)電性差的問(wèn)題。CNTs 骨架的多孔性，提供了進(jìn)一步的強(qiáng)有力支持，還可以摻雜其他的功能性添加劑，以提高固硫能力和LiPSs 的轉(zhuǎn)化效率。由于LiPSs 的捕獲效率顯著提高，研究者會(huì)優(yōu)先選擇對(duì)硫物質(zhì)具有特定吸附的功能化CNTs，因此，基于CNTs 的插層膜作為L(zhǎng)i-S 電池插層膜材料之一，有很好的研究前景。

石墨烯（Gh）及相關(guān)材料因具有優(yōu)異的機(jī)械柔韌性、大表面積和高電導(dǎo)率，可在電化學(xué)動(dòng)力學(xué)過(guò)程中提供大量的離子傳輸通道，因此被廣泛用于電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，以及在Li-S 電池中作為L(zhǎng)iPSs 的物理阻隔屏障。當(dāng)有其他官能團(tuán)或外來(lái)成分被引入Gh 體系時(shí)，LiPSs 的化學(xué)吸附將帶來(lái)更高效的硫捕獲能力，因此Gh 及相關(guān)材料常被用作Li-S 電池的插層膜。氧化石墨烯（GO）是一種含氧Gh 材料，與LiPSs 具有很強(qiáng)的化學(xué)相互作用。GO 和CNTs的結(jié)合，不僅可以通過(guò)物理限制和化學(xué)吸附來(lái)捕獲LiPSs，還可以為離子和電子的快速轉(zhuǎn)移提供高孔隙率和高電導(dǎo)率。Huang 等人[14]在Li-S 電池的正極和Celgard 2400 隔膜之間，使用了一種獨(dú)立的多孔GO/CNTs 混合膜，在GO/CNTs 比例為1∶2 的情況下，插層膜表現(xiàn)出最高的表面積和最佳的電化學(xué)性能，硫正極具有1370mAh·g-1的高初始容量。GO/CNTs（70 wt%）混合物與PVDF 粘合劑（30 wt%）的復(fù)合材料，也被涂覆在PP 隔膜上作為集成插層膜[15]。如能量色散X 射線光譜（EDS）結(jié)果證實(shí)的那樣，插層膜在充電/放電過(guò)程中有效抑制了LiPSs的遷移。200 次循環(huán)后，鋰金屬負(fù)極上的硫分布較少。該設(shè)計(jì)中，CO/CNTs 插層膜的阻擋功能不僅有效抑制了LiPSs 的遷移，還促進(jìn)了電子和Li+的快速轉(zhuǎn)移，確保了穩(wěn)定的循環(huán)性能和較長(zhǎng)的循環(huán)壽命。

對(duì)GO 進(jìn)行化學(xué)還原處理，可以使與氧結(jié)合的缺陷位點(diǎn)部分恢復(fù)，并顯著提高電導(dǎo)率。還原氧化石墨烯（rGO）中產(chǎn)生的層狀結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步阻斷LiPSs 的傳輸，促進(jìn)LiPSs 的轉(zhuǎn)化，提高硫材料的利用率。此外，還原過(guò)程中還可以摻入某些外來(lái)成分來(lái)提高固硫能力。Tan 等人[16]使用GO、無(wú)水鉬酸鈉和硫脲的復(fù)合前驅(qū)體，通過(guò)一步水熱法合成了rGO/MoS2復(fù)合材料。采用真空過(guò)濾工藝將rGO/MoS2涂覆到Li-S 電池的隔膜上。由于多孔碳結(jié)構(gòu)的物理阻擋、MoS2的化學(xué)吸附以及rGO 中的缺陷位點(diǎn)的協(xié)同作用，rGO/MoS2插層膜在抑制LiPSs 擴(kuò)散方面表現(xiàn)出顯著的效果，實(shí)現(xiàn)了1121mAh·g-1的高初始放電比容量和單圈0.116%的低容量衰減率，在1C 下實(shí)現(xiàn)了超過(guò)500 次循環(huán)。

碳材料在電池插層膜領(lǐng)域的發(fā)展迅速，CNTs和Gh 作為重要的插層膜材料，給電池系統(tǒng)帶來(lái)了重大變化。雖然碳插層膜的重量輕且導(dǎo)電，但它們與LiPSs 的相互作用主要是相對(duì)較弱的物理限制，需要加以改進(jìn)，雜原子摻雜（N、O、S、P 等）或與具有強(qiáng)固硫能力的外來(lái)組分結(jié)合，可作為補(bǔ)救措施。具有高電導(dǎo)率的碳材料與其他對(duì)LiPSs 具有強(qiáng)吸附性的結(jié)合物的協(xié)同作用，是Li-S 電池系統(tǒng)研究的重大進(jìn)步。

2.2 高分子插層膜

由于分子鏈上附著的官能團(tuán)具有出色的固硫能力，聚合物改性隔膜和聚合物基插層膜有助于Li-S電池保持高庫(kù)倫效率和高倍率性能。具有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性的聚合物可作為L(zhǎng)i-S 電池的插層膜。盡管大多數(shù)聚合物是絕緣的，不利于快速電子轉(zhuǎn)移和催化轉(zhuǎn)化，但在Li-S 電池插層膜的研究領(lǐng)域，研究者不僅關(guān)注導(dǎo)電聚合物，還對(duì)非導(dǎo)電聚合物進(jìn)行了研究。

萘酚（Nafion）膜含有大量的SO3-基團(tuán)，可通過(guò)靜電排斥作用排斥LiPSs 陰離子，減少活性物質(zhì)的損失。作為L(zhǎng)i-S 電池的插層膜，Nafion 膜的厚度相當(dāng)重要。Jin 等人[17]制備了一種改進(jìn)的Nafion 納米纖維網(wǎng)，它對(duì)Li+離子具有高效的滲透率和良好的電解質(zhì)潤(rùn)濕性。研究者將聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和Nafion 溶液通過(guò)靜電紡絲覆蓋到硫正極上，制備了基于Nafion 膜的阻擋層。借助Nafion/PVP 納米網(wǎng)層得到的復(fù)合正極，表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能，在0.5C下循環(huán)200 次后的剩余容量達(dá)到695mAh·g-1。相比之下，具有致密Nafion 層的硫正極，在0.5～2 C 范圍內(nèi)的倍率性能比裸硫正極差，是由于電解質(zhì)可以在Nafion/PVP 表面擴(kuò)散，限制了Li+離子的轉(zhuǎn)移，而相同的電解質(zhì)在致密的Nafion 層上的接觸角僅為15.6°。

導(dǎo)電聚合物由于可以提供高電子和離子電導(dǎo)率，在Li-S 電池領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。Ma 等人[18]合成了一種獨(dú)立的聚吡咯（PPy）納米管薄膜（PNTF），并將其放置在正極和隔膜之間。由于PPy 納米管的高導(dǎo)電性、大比表面積及其對(duì)LiPSs 的強(qiáng)化學(xué)吸附，電池顯示出較低的充電平臺(tái)和較高的放電平臺(tái)，與沒(méi)有PNTF 插層膜的電池相比，硫正極的極化降低。同時(shí)，穿梭效應(yīng)被充分抑制，活性材料在充電/放電過(guò)程中發(fā)生了重新分布，因此，在0.5C的倍率和2.5～3.0mg·cm-2的硫負(fù)載下，實(shí)現(xiàn)了1102mAh·g-1的高初始放電容量。由于PPy 通常摻雜質(zhì)子，因此LiPSs 被認(rèn)為是通過(guò)硫和PPy 分子之間的氫鍵來(lái)固定的。隨后，他們分別用PPy 納米管、PPy 納米線和rGO 改性隔膜，研究了不同Li-S 電池的電化學(xué)性能[19]?；赑Py 與LiPSs 之間更強(qiáng)的相互作用，以及PPy 與電解質(zhì)間更好的潤(rùn)濕性，相比具有rGO 改性隔膜的電池，具有PPy(納米管和納米線)改性隔膜的電池表現(xiàn)出更高的庫(kù)侖效率和更好的循環(huán)性能。

具有離子選擇功能的非導(dǎo)電聚合物，已被證明可有效提高Li-S 電池的容量、壽命和倍率性能。但正如文獻(xiàn)報(bào)道的那樣，僅僅區(qū)分微孔、中孔和大孔的孔徑是不夠的，合理調(diào)節(jié)插層膜的孔結(jié)構(gòu)和孔徑分布，將更有利于解決Li-S 電池存在的問(wèn)題，具有高LiPSs 固定性能和高電化學(xué)性能的聚合物基插層膜材料的探索研究仍在進(jìn)行中。

2.3 無(wú)機(jī)材料基插層膜

人們普遍認(rèn)為，許多金屬基無(wú)機(jī)材料如金屬氧化物、金屬硫化物或金屬氮化物等，因極性較強(qiáng)，可以對(duì)LiPSs 提供強(qiáng)化學(xué)吸附。大多數(shù)無(wú)機(jī)金屬化合物的導(dǎo)電性較差，與導(dǎo)電、多孔和輕質(zhì)的碳材料結(jié)合后，這種復(fù)合材料不僅可以解決電化學(xué)過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，還對(duì)硫物種表現(xiàn)出很強(qiáng)的化學(xué)吸附能力。

適當(dāng)?shù)慕饘傺趸锟梢耘cLiPSs 形成化學(xué)鍵或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為S2O32-，從而促進(jìn)LiPSs 的捕獲。一些金屬氧化物則通過(guò)促進(jìn)LiPSs 的轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步加速了電化學(xué)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。金屬氧化物基復(fù)合插層膜如鉬基或鐵基碳復(fù)合材料等，也被廣泛研究。Zhuang等人[20]通過(guò)簡(jiǎn)便的靜電紡絲技術(shù)制造了MoO2/CNF膜插層膜。TEM 測(cè)試顯示，插層膜中的MoO2/CNF主要由顆粒和微晶組成，XPS 的結(jié)果證實(shí)，LiPSs以SO42-和S2O32-的形式被MoO2成功捕獲，表明硫物質(zhì)和MoO2組分之間存在強(qiáng)烈的化學(xué)相互作用。MoO2/CNF 插層膜的Li-S 電池和原始隔膜的Li-S電池的電荷轉(zhuǎn)移電阻，分別為38.73Ω 和228.43Ω。循環(huán)伏安（CV）曲線顯示，MoO2/CNF 插層膜電池的氧化還原峰有明顯偏移，表明電位極化低，電池可逆性好。結(jié)果證實(shí)，多孔導(dǎo)電CNF 網(wǎng)絡(luò)加速了離子和電子的轉(zhuǎn)移。受益于MoO2和CNF 支架的協(xié)同作用，電池在0.42 mA·cm-2的電流密度下實(shí)現(xiàn)了1366mAh·g-1的高初始放電容量，150 次循環(huán)后容量保持為1006 mAh·g-1。

金屬硫化物已被嘗試應(yīng)用在Li-S 電池的插層膜中，以直接干預(yù)LiPSs 的擴(kuò)散過(guò)程。Huang 等人[21]采用溶劑熱法，以碳紙（CP）為基材負(fù)載Co/Fe 雙金屬硫化物（CFS）。結(jié)果表明，化學(xué)計(jì)量比為2∶1∶3 的CoCl2∶FeCl2∶硫代乙酰胺，為CFS 提供了對(duì)LiPSs 良好的化學(xué)吸附能力。CFS/CP 插層膜可以暴露更多的活性位點(diǎn)，并為電解質(zhì)的潤(rùn)濕提供更多的開(kāi)放通道。更重要的是，CFS 的強(qiáng)極性增強(qiáng)了LiPSs 轉(zhuǎn)化的動(dòng)力學(xué)，與原始CP 相比，CFS/CP 在塔菲爾斜率圖中的氧化過(guò)程和還原過(guò)程的斜率均較低，表明其對(duì)硫化物的氧化還原反應(yīng)具有優(yōu)異的催化能力和快速的催化動(dòng)力學(xué)。因此，基于CFS 插層膜的合理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的催化效果和穩(wěn)定的循環(huán)性能，400 次循環(huán)后的容量損失率為0.11%。

與金屬氧化物相比，金屬硫化物基插層膜在捕獲和加速LiPSs 中間體的氧化還原轉(zhuǎn)化，以及提高電池的電化學(xué)性能方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。金屬氧化物和金屬硫化物/氮化物的結(jié)合，會(huì)產(chǎn)生設(shè)計(jì)良好的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，為具有超長(zhǎng)循環(huán)壽命的高性能Li-S電池開(kāi)辟了未來(lái)研究的一個(gè)新方向。

2.4 金屬有機(jī)框架

由金屬中心和有機(jī)配體組成的金屬有機(jī)框架（MOF）通常用于制備不同材料的前體，包括金屬氧化物和多孔碳。MOF 衍生的多孔碳結(jié)構(gòu)通常有高達(dá)4000m2·g-1的比表面積和可控的孔徑分布，因此，MOF 及其衍生物是一種很有前景的儲(chǔ)能材料，在新型電池、燃料電池、太陽(yáng)能電池和超級(jí)電容器等領(lǐng)域已經(jīng)有各種應(yīng)用。

Chen 等人[22]采用Ni3(2,3,6,7,10,11-hexaiminotriphenylene)2[Ni3(HITP)2]的新型MOF 結(jié)構(gòu)，對(duì)PP 隔膜進(jìn)行改性，以捕獲LiPSs。MOF 的制備方法是將濃NH4OH 添加到NiCl2和2,3,6,7,10,11-六氨基三苯六鹽酸鹽（HATP·6HCl）的水溶液中，進(jìn)行連續(xù)攪拌和加熱。由于路易斯酸堿的相互作用，MOF 的金屬中心增強(qiáng)了對(duì)LiPSs 的親和力，所得的MOF 基涂層插層膜顯示出親水極性和高導(dǎo)電性，從而顯著提高了電池中電化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)。使用這種MOF 涂層插層膜的Li-S 電池，在0.1C 和2C 的倍率下，可分別提供1220.1 mAh·g-1和800.2 mAh·g-1的高容量。

為了進(jìn)一步提高循環(huán)性能，Lee 等人[23]合成了鎳基MOF（Ni-MOF）顆粒和MWCNTs 復(fù)合材料，然后涂覆在聚乙烯（PE）隔膜上作為集成插層膜。可溶性LiPSs 通過(guò)Ni-MOF 結(jié)構(gòu)中的配位不飽和Ni2+位點(diǎn)與LiPSs 之間的相互作用來(lái)固定，MWCNTs 作為物理屏障，可阻止LiPSs 的擴(kuò)散并增強(qiáng)被捕獲的硫物質(zhì)的電子導(dǎo)電性。MOF/MWCNTs涂層插層膜的引入，提高了電池的循環(huán)穩(wěn)定性，在0.2C 下經(jīng)300 次循環(huán)后，MOF/MWCNTs 改性的電池的容量衰減與未改性電池的容量衰減，分別約為200 mAh·g-1（保持在1183 mAh·g-1）和450 mAh·g-1。EIS 測(cè)量結(jié)果進(jìn)一步表明，插層膜中Ni-MOF 和MWCNTs 的結(jié)合，有效抑制了正極側(cè)的可溶性LiPSs，活性材料得以重新利用，從而降低了電化學(xué)過(guò)程中的電阻。

3 結(jié)語(yǔ)

插層膜設(shè)計(jì)策略在控制Li-S 電池的穿梭效應(yīng)和催化轉(zhuǎn)化LiPSs 方面，都取得了豐富的研究成果。目前對(duì)Li-S 電池的研究已經(jīng)相當(dāng)深入，在一些概念產(chǎn)品上也有初步的應(yīng)用。然而，相比實(shí)驗(yàn)中的扣式電池，實(shí)際電池的電極體積要大得多，這使得體積膨脹問(wèn)題更為明顯。另外，隨著電極面積的增加，可能會(huì)出現(xiàn)更多的LiPSs 中間體而導(dǎo)致嚴(yán)重的鋰腐蝕，使得插層膜和隔膜的設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性。因此，所設(shè)計(jì)的插層膜要輕薄且機(jī)械強(qiáng)度足夠，與電解液具有良好的潤(rùn)濕性，還可以提供快速的離子/電子傳輸通道，以催化并促進(jìn)LiPSs 的轉(zhuǎn)化。