DOI: 10.1016/j.memsci.2021.119615

在这项工作中，研究者通过微流体纺丝技术（MST）和碳化处理制备了含纤维素纳米晶（CNC）和MnS纳米颗粒的新型柔性有序碳纳米纤维膜（MnS@CNC/CNFs）。然后将所制备的MnS@CNC/CNFs用作锂金属电池（LMBs）隔膜和锂负极之间的夹层，以进行系统研究。具有规则排列结构的有序碳纳米纤维骨架可以诱导更均匀的锂（Li）离子沉积。此外，MnS@CNC/CNFs中间层具有显著的导电性和较大的比表面积，不仅为离子和电子提供了较高的传输通道，而且增强了锂负极或隔膜与中间层之间的界面相容性。在相互连接的CNFs骨架中掺杂的MnS可以提供更多的活性位点来触发与锂的类似合金化反应，并且CNC中的极性羟基（-OH）也可以诱导与锂离子的强烈化学相互作用。这些综合效应使锂离子通量分布更加均匀，电极无枝晶。配备独立式夹层的Li|LiFePO4（LFP）电池的初始放电容量为148.2mAh/g，在1C下循环600次后的保留率为83.1％。Li/Li对称电池进一步表明柔性有序MnS@CNC/CNFs膜可以有效抑制锂枝晶生长并提高循环稳定性。基于MST的MnS@CNC/CNFs的设计为制备CNFs提供了一种简便的方法，并为高安全性的LMBs提供了潜在的解决方案。

图1.（a）微流体纺丝机的纺丝过程示意图；（b）所制备的MnS@CNC/CNFs的示意图。

图2.添加（a）4、（b）6和（c）8wt％MnSO4的有序CNFs的SEM图像；（d）新生纤维、（e）MnS/CNFs和（f）MnS@CNC/CNFs的SEM图像；（g）MnS/CNFs的EDX元素映射图像和（h）TEM图像。

图3.（a）新生纤维和MnS@CNC/CNFs的FTIR光谱；（b）MnS/CNFs的拉曼光谱；（c）MnS/CNFs和MnS@CNC/CNFs的XRD图谱；（d）MnS/CNFs和MnS@CNC/CNFs的低温氮气吸附-解吸等温线；（e）PP商用隔膜和MnS@CNC/CNFs上液体电解质的接触角。

图4.（a）MnS/CNFs和MnS@CNC/CNFs的XPS光谱；MnS@CNC/CNFs的（b）C1s,（c）O1s,（d）N1s,（e）Mn2p和（f）S2p能级光谱。

图5.带有PP商用隔膜、MnS/CNFs和MnS@CNC/CNFs的Li|LFP电池的电化学性能。（a）在0.2C-2C不同速率下的倍率性能；（b）具有不同中间层的电池的电化学阻抗谱；在1C下循环前（c）和循环后（d）的阻抗曲线；（e）具有不同中间层的电池的LSV曲线；（f）含MnS@CNC/CNFs的Li|LFP电池在1C下的充放电曲线；（g）具有不同中间层的电池在1C下的循环性能和库仑效率。

图6.（a-c）具有PP、MnS/CNFs和MnS@CNC/CNFs的Li/Li对称电池在1 mA cm-2和1 mA h cm-2下的电压曲线；（d）具有PP、MnS/CNFs和MnS@CNC/CNFs的Li/Li对称电池的阻抗谱；（e-g）循环后从Li/Li对称电池拆卸的锂负极的表面形貌：（e）PP商用隔膜，（f）MnS/CNFs，（g）MnS@CNC/CNFs。

图7.（a）裸锂负极上锂枝晶生长的示意图；（b）锂均匀沉积在具有MnS@CNC/CNFs夹层的锂负极上；（c）MnS@CNC/CNFs夹层对锂离子的协同作用。