研究背景：随着便携式电子设备和电动汽车的普及，对高能量密度储能系统的需求日益增长。锂硫（Li-S）电池因其高理论能量密度（2600 Wh kg⁻¹）、丰富的硫资源和环境友好性，被视为未来能源存储的有力候选。然而，其实际应用受到诸多挑战的阻碍：硫及其还原产物（Li₂S₂/Li₂S）导电性差，导致电化学反应不充分；多硫化锂（LiPSs）的溶解引发“穿梭效应”，造成活性材料损失；硫在充放电过程中的体积膨胀引发电极结构坍塌，影响循环稳定性；锂负极的不均匀沉积易形成锂枝晶，可能刺穿隔膜，引发安全风险。

为应对这些挑战，郑州大学材料科学与工程学院张鹏教授团队在《Small》国际期刊发表了题为 “Electrospinning Meets Heterostructures in Lithium-Sulfur Batteries” 的综合研究。该研究聚焦锂硫电池，全面且深入地探讨了静电纺丝技术与异质结构在其中的应用，为该领域研究提供了关键指引。

（1）异质结构的概念及其在锂硫电池中的应用

异质结构由两种或两种以上化学结合的固态材料组成，通过不同相之间的界面协同效应实现多功能集成。与复合材料不同，其不仅是材料优势的物理整合，还涉及电子结构重构。

图1：a. CoZn-X系统制备策略的示意图 b. CoZn-S的HRTEM图像。

在锂硫电池中的优势，其作为正极中硫的主体，能增强对 LiPSs 的吸附，缓解体积膨胀，促进 Li₂S 均匀沉积；用于隔膜，可提高离子传输速率，改善 LiPSs 穿梭效应；用作负极，能作为亲锂导电支架，增强锂的均匀沉积，使电极表面电流密度均匀化。但是，异质结构存在制造成本高、材料结构不稳定、机制复杂、活性位点失活以及尺寸和维度控制困难等问题。

图2：锂硫电池系统以及异质结构和静电纺丝在解决锂硫电池挑战方面的协同作用。

（2）静电纺丝构建的异质结构在锂硫电池中的应用

静电纺丝技术能精确控制纳米纤维形态、直径和排列，实现异质结构微观设计；制备的纳米纤维表面积大，增强表面活性和界面效应，提高材料性能；可将不同性质材料均匀混合，实现多功能设计，且成本低、易大规模制备，解决异质结构材料制备难题。静电纺丝技术制备的异质结构在锂硫电池中的主要应用有如下：

硫正极：电纺异质结构在硫正极中的应用主要有三类，碳基、金属化合物基和MXene基。碳基异质结构充分利用碳材料的导电性和稳定性，结合金属或金属化合物的极性特性，提升对LiPSs的吸附和催化能力；金属化合物基异质结构通过不同金属化合物之间的协同效应，加速LiPSs的转化；MXene基异质结构则利用其高比表面积和丰富的活性位点，提升硫的负载量和电化学性能。

图3：a. G/CNFs膜的制备示意图 b. 在1400°C碳化的CaS/CNFs-1400的SEM图像 c. 洗涤后的CaS/CNFs-1400的TEM图像 d. 显示CNFs膜柔韧性的照片 e. G/CNFs-1400-S、CNFs(PAN1400)-S和CNFs-1400在0.2 C下的循环性能 f. 通过静电纺丝结合CVD生长VG/TiC电催化剂的过程示意图 g. TiC和VG/TiC表面的态密度 h. S/VG/TiC电极的倍率性能 i. 使用柔性袋式电池在不同折叠角度下为LED阵列供电的循环性能。

隔膜：电纺异质结构作聚合物基隔膜也有三类，PAN基、PVDF基和其他聚合物基。PAN基隔膜利用其高孔隙率和优异的电解液亲和性，有效抑制LiPSs的穿梭效应；PVDF基隔膜则通过增强机械强度和热稳定性，提升电池的安全性和循环寿命；其他聚合物基隔膜如聚酰亚胺（PI）则结合了高热稳定性和电化学稳定性，进一步优化隔膜性能。

图4：a. GQDs-PAN@PP隔膜的合成过程示意图及其作为锂硫电池隔膜的优势 b. 不同隔膜的孔隙率比较 c. 不同隔膜的电解液吸收量比较 d. 不同隔膜在0.5 C电流密度下的长循环性能 e. GQDs-PAN@PP隔膜与其他已发表研究结果的性能比较 f. 使用GQDs-PAN@PP隔膜的锂负极在200个循环后的SEM图像 g. 锂硫电池用多功能MOF-PAN/rGO-PAN隔膜的示意图 h. 各种隔膜在100°C热处理前后的光学照片 i. 各种隔膜在100°C热处理前后的光学照片 j. MOF-PAN/rGO-PAN膜的动态接触角测量 k. PP隔膜的动态接触角测量 l. 使用MOF-PAN/rGO-PAN隔膜的锂硫电池在5 C下的长期循环性能 m. 锂硫电池中用于温度调节的PW@PAN隔膜结构及其作用 n. PPW/UiO66@BP温度调节隔膜的制备示意图 o. 不同隔膜的热成像图像和温度比较 p. PPW/UiO66@BP隔膜在0.5 C下的循环性能。

锂负极：异质结构在锂负极中的应用则有两类，3D亲锂支架和3D电子/离子传导支架。3D亲锂支架通过均匀的锂沉积和体积变化适应，抑制锂枝晶的生长；3D电子/离子传导支架则通过高效的电子和离子传输，促进锂的均匀成核和生长，提升锂负极的循环稳定性和效率。

图5：a. Cu/Cu₃P-N-CNFs集流体的制备过程示意图 b. Cu/Cu₃P-N-CNFs的HRTEM图像 c. 0.2 C下的循环性能 d. 各种锂负极的Li-S电池的EIS分析，插图为等效电路图 e. 3D MIEC支架可以同时调节电流密度和均匀化离子通量，实现锂的均匀镀层和快速剥离 f. 不同电流密度下MIEC、EC和铜箔电极的CE g. 不同对称电池在3 mA cm⁻²电流密度下容量为5 mAh cm⁻²的电压时间曲线。

本综述讨了静电纺丝技术与异质结构材料结合的协同效应，尤其是它们在改善锂硫电池电化学性能方面的潜力。系统地研究了静电纺异质结构材料的最新发展，为静电纺丝和异质结构材料在锂硫电池中的集成应用提供技术基础和战略见解。该综述不仅总结了静电纺丝制备的异质结构在锂硫电池中的积极影响，还提出了未来研究的新方向。

文章来源：https://doi.org/10.1002/smll.202411838