DOI: 10.1016/j.cej.2021.130346

在本文中，采用电吹纺丝（EBS）和碳化策略制备了ZnF2掺杂的三维（3D）多孔碳纳米纤维（ZnF2-PCNFs）。系统地研究了其作为锂金属电池（LMBs）中间层的应用前景。具有高电导率和大表面积的3D互连多孔骨架能够降低局部电流密度，显著增强中间层与锂电极之间的界面相容性，并具备较高的锂负载能力。此外，在碳化过程中原位形成的亲锂ZnF2纳米颗粒可提供更多的活性位点来触发与Li的类似合金化反应，从而引导Li镀层/剥离更加均匀。配备ZnF2-PCNFs的Li||LiFePO4（LFP）组装电池的最佳初始放电容量为142.70mAh/g，在1C下循环500次后的容量保持率为96.42％。对称Li||Li电池进一步表明ZnF2-PCNFs涂层中间层可以阻碍Li枝晶生长，并提高循环稳定性。此外，基于便捷的锂离子传输通道以及ZnF2-PCNFs对物种的强吸附或捕获能力，所获得的配备ZnF2-PCNFs的Li||S电池显示出优于其他样品的循环性能。研究表明，所制备的ZnF2-PCNFs涂层作为隔膜和负极之间的中间层，可有效提高LMBs的安全性和电化学性能。

图1.ZnF2-PCNFs制备过程和电池组装过程的示意图。

图2.（a）PCNFs的SEM图像；（b-f）添加Zn（CH3COO）2的碳纳米纤维在不同碳化温度下的SEM图像：（b）500℃，（c）600℃，（d）700℃，（e）800℃和（f）900℃。

图3.（a）PCNFs和（b）ZnF2-PCNFs-700的TEM图像；ZnF2-PCNFs-700的（c）HETEM图像，（d）SAED图谱和（e）EDX。

图4.（a）不同碳化温度下碳纳米纤维的XRD图；（b）ZnF2-PCNFs-700的FTIR光谱；（c）PCNFs和ZnF2-PCNFs的拉曼光谱；（d）液体电解质在商用隔膜和ZnF2-PCNFs上的接触角：（d1）PP隔膜，（d2）PCNFs，（d3）ZnF2-PCNFs-500，（d4）ZnF2-PCNFs-600，（d5）ZnF2-PCNFs-700。

图5.（a）ZnF2-PCNFs-700的XPS全扫描光谱；（b）N1s，（c）Zn2p和（d）F1s的高分辨率XPS光谱。

图6.PP、PCNFs和ZnF2-PCNFs电池的电化学性能。（a）电池在不同速率下的倍率性能；（b）配备ZnF2-PCNFs-700的电池在不同速率下的充放电曲线；在0.5C下进行150次循环前后的阻抗谱（d）；（e）具有不同ZnF2-PCNFs中间层的电池的电化学阻抗谱；（f）具有不同ZnF2-PCNFs中间层的电池的LSV曲线。

图7.具有ZnF2-PCNFs中间层的Li||Li对称电池在（a）1mA/cm2、1mA h/cm2和（b）2mA/cm2、2mA h/cm2下的电压曲线；在（c）1mA/cm2、1mA h/cm2和（d）2mA/cm2、2mA h/cm2下的详细电压-时间曲线；（e）具有不同ZnF2-PCNFs中间层的Li||Li对称电池的阻抗谱。

图8.（a）配备PP、PCNFs和ZnF2-PCNFs中间层的电池的循环伏安图；（b）0.5C下的循环性能和库仑效率（LFP负载量：2.96mg/cm2）；（c）1C下的循环性能和库仑效率（LFP负载量：2.96mg/cm2）；（d-i）循环后从Li||Li对称电池拆下的锂负极的表面形态：（d）PP隔膜；（e）PCNFs，（f）ZnF2-PCNFs-500，（g）ZnF2-PCNFs-600，（h）ZnF2-PCNFs-700；（i）ZnF2-PCNFs-700中间层在1mA/cm2的电流密度下进行15次循环后的表面形态。

图9.Li||S电池的电化学性能。（a）在0.5C下进行200次循环前后的阻抗谱；（c）Li||S电池在不同速率下的倍率性能；（d）在DOL/DME（1:1，v/v）溶液中PCNFs和ZnF2-PCNFs吸附Li2S6的照片：（1）：纯Li2S6溶液；（2）：PCNFs；（3）：ZnF2-PCNFs；（e）Li||S电池在0.5C下的循环性能和库伦效率（S负载量：1.18mg/cm2）；（f）配备ZnF2-PCNFs-700的电池在1C下的循环性能和库仑效率（S负载量：1.18mg/cm2）。

图10.（a）在ZnF2-PCNFs中间层上进行Li剥离/镀覆过程的示意图；（b）ZnF2-PCNFs中间层对溶解的多硫化锂的吸附机理；（c）ZnF2-PCNFs中间层上的锂离子和电子传输路径的示意图。