​ 首次All-in-one！多因素工程助力打造高性能电池隔膜！

背景介绍

1675mAhg^-1的高理论比容量、环境友好性和构成锂硫（Li-S）电池的元素在地球上的丰富性，使其成为从电动汽车到机器人技术的各种技术领域以及从电网到航空航天工程中的储能平台极具吸引力。然而，多硫化锂（LPS，Li₂S_X，4≤x≤8）从正极到负极的扩散大大降低了它们的循环寿命、总容量和库仑效率。此外，LPS层钝化两个电极，导致阻抗显著增加，从而导致能量损失。负极上不均匀的表面层也促进了枝晶的生长，这是锂硫电池的另一个严重问题，它会导致类似的问题，包括短路和过热。

过去的大量研究工作都投入到设计硫正极材料以最大限度地减少LPS释放。结果表明，通过将硫包裹在由纳米碳、导电聚合物、过渡金属氧化物和金属有机骨架制成的微孔载体中，可以固定LPS。实际上，正极中的纳米孔屏障提高了硫在正极内的保留。然而，Li-S电池的循环寿命和整体性能仍有相当大的改进空间，以解决正极材料的结构复杂性和改善通过电极材料的电子传输。

LPS扩散问题也可以通过优化离子导电膜的材料设计来解决，该离子导电膜可以阻止LPS从S正极到Li负极的传输。同时，这些膜必须允许Li⁺离子的轻松传输。使用含碳材料、聚合物、金属泡沫、金属氧化物层和含碳金属氧化物的包覆层在该领域取得了重大进展。LPS膜的所有这些材料解决方案面临的巨大挑战是在一种材料或包覆层中结合至少两种相反的材料特性——有效的离子传输和机械强度。在后者中，具有高剪切模量的聚合物对于抑制锂负极上的枝晶生长是必要的，而高机械强度（>98MPa）和热稳定性（1h@90C，收缩率<5%）在现实条件下，例如在电动汽车中，对于电池的寿命至关重要。先前的实验和计算数据表明，这项材料工程任务很困难，并且需要一种新的材料设计方法。

正文部分

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1、成果简介

锂硫（Li-S）电池具有较高的比容量，但多硫化锂（LPS）扩散和锂枝晶生长会大大降低其循环寿命。高放电率还需要它们在高温的适应力。来自美国密歇根大学的NicholasA. Kotov团队在NatureCommunications上发表的工作展示了使用纳米纤维的连续沉积设计的离子选择性膜能够几乎完全防止LPS从正极扩散到负极。这种膜的结构设计是由先前对细胞膜中离子通道的研究得出的，该细胞膜以高效离子传输和高离子选择性以及以独特机械性能著称的软骨而闻名。软骨和其他几种生物组织的设计基于高度互连的纳米纤维网络，从而产生其独特的机械、粘合和运输特性。它们的拓扑结构反映了不明显的互连性，并且渗透能够实现有效的应力传递，从而提供韧性和柔韧性，这可以在由芳纶纳米纤维（ANF）制成的复合材料中复制。ANF是Kevlar纤维的纳米级版本，并且基于ANF的多功能复合材料已受到软骨的启发而制造。最近，通过使用图论研究它们的连通性，证明了ANF膜和软骨中纳米纤维的组织之间的直接类比。由于LPS层在np-ANF上的自发吸附，基于ANF的复合材料还可以设计成具有纳米级孔隙率（np-ANF）和电荷筛分能力的分层膜表面。数值模拟证实，np-ANF的带负电的单纳米孔强烈抑制LPS穿梭，同时提供Li⁺离子的快速传输。

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2、研究亮点

1. 展示了芳纶纳米纤维（ANF）的仿生自组装膜解决了这些锂硫电池中的多硫化锂扩散、锂枝晶生长以及高温适应性挑战。

2. 使得复制软骨的纤维结构、离子选择性机械和热性能的多因素工程成为可能。

3. ANF表面上的LPS吸附在纳米级孔上产生一层负电荷，阻止LPS传输。

4. 使用类软骨仿生ANF膜的电池表现出接近理论的最大容量1268 mAh g^-1，高达3500+的循环寿命和高达3C的放电率。

5. ANF的高热适应力对于安全至关重要，可在高达80°C的温度下运行。

6. ANF的合成简单性和可回收性为众多能源技术的高性能材料工程打开了大门。

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3、图文导读

基于ANF的复合材料由于其高机械和热性能已被用作包括锂硫电池在内的各种储能系统中的电极材料和隔膜，类似地，np-ANF膜也显示出高杨氏模量E=9.2±0.5GPa（比Celgard^TM高55倍2400）和高耐热性（600°C）。这些特性使得同时抑制锂枝晶成为可能，从而将Li-S电池的生命周期延长至3C下的3500+次循环。在np-ANF中发现的特性组合导致LPS阻断效率高，并且在长期循环中具有显著的稳定性，即使在高温环境下也是如此。

np-ANF膜的表征

使用带正电荷的聚（二烯丙基二甲基铵）配对聚合物（PDDA）促进后续自旋层粘附的自旋辅助分层构型的方法在概念上类似于逐层（LBL）沉积，其用于制造膜来自ANF分散体。使用这种技术，可以通过增加或减少沉积循环的数量来轻松改变膜的厚度，这是优化离子传输膜的通量和选择性所必需的。通过重复旋转沉积循环三次，获得了具有光滑表面的ANF复合膜（图1B、1C）厚度为5.8±0.50µm（补充图1D），比典型厚度为25µm的Celgard^TM2400膜薄四倍。减少膜厚度代表了一个关键的技术目标，因为它可以增加正极和负极上活性材料的厚度，从而提高整体电池容量。最先进的锂硫电池离子导电膜的厚度在20到30µm之间。np-ANF膜上的热重分析（TGA）表明，在N₂气氛中低于600°C时没有发生显著的重量损失（图1D），以及对np-ANF的差示扫描量热法（DSC）分析证实np-ANF直到500°C才发生显著变化。与Celgard^TM2400相比，np-ANF膜还显示出更低的电解质接触角和更高的电解质吸收率，这降低了实现优异倍率充放电率所需的内阻。高度互连的软骨状果胶状纳米纤维网络也导致在被电解质完全润湿后的np-ANF的体积变化很小，这有利于与电极的紧密粘附，并且是有效抑制枝晶所必需的，这对于许多其他膜结构可能并非如此。通过用PDDA旋涂获得的np-ANF膜还具有由Barrett-Joyner-Halenda（BJH）分析确定的直径为0.9-1.2nm的纳米级孔，其小于L₂S₄的流体动力学直径1.3–1.5nm。这些孔隙比Celgard^TM2400中发现的孔隙至少小一个数量级，其中BJH孔径超过25nm。

【图1】np-ANF膜的表征

（A）在硫正极和锂负极之间具有np-ANF膜的Li-S电池的示意图。（B、C）np-ANF膜。（D）np-ANF膜和Celgard^TM2400的热重分析曲线。（E、F）锂枝晶尖端的SEM图像。（G）np-ANF和Celgard^TM2400的应力-应变曲线。

负电荷与np-ANF窄孔径的协同效应

单纳米范围内的孔径对于与枝晶抑制和离子传输相关的电池膜有两个基本好处。首先，锂枝晶的生长点直径约为300nm（图1E、F）。具有单纳米孔径的膜具有足够的机械性能，可以比具有更宽通道的膜更有效地抑制生长枝晶。而且，基于np-ANF的膜的杨氏模量无论在干燥（E=9.2±0.5GPa）或电解质湿态（E=8.1±0.4GPa）都高于大多数先前报道的膜。与Celgard^TM2400纵向相比，干态E=0.17±0.02GPa和电解质湿态E=0.15±0.02GPa，它对应于杨氏模量提高约55倍（图1G）。即使经过长时间的电化学循环过程，np-ANF仍能保持其初始杨氏模量，而Celgard^TM2400显著减少并变得不稳定，这可能是由膜表面的枝晶生长引起的。纳米压痕测试进一步证实了这一点，因为在施加相同压力时，Celgard^TM2400膜的深度比np-ANF更高。

最重要的是，在80°C的高温环境下，np-ANF仍能应对3.7GPa的高杨氏模量，这比其他类似类型的隔膜要好得多，确保充放电过程中电池的稳定性。Celgard^TM2400的拉伸强度和杨氏模量无论是在横向还是纵向测量，随着温度升高降低70%，80°C下，杨氏模量在纵向为0.05±0.003GPa和在横向0.4*10^-3±0.02*10^-3GPa方向显著下降。显然，Celgard^TM2400隔膜很难在高温环境下保持其原有的机械性能，并确保锂硫电池的稳定运行。

根据标准Monroe和Newman模型，使用与聚合物电解质的剪切模量G_polymer及其杨氏模量E_polymer相关的数学推导，可以得出比许多其他机械特性更容易测量的有关杨氏模量的设计标准。推导表明，离子导电膜G_polymer/G_Li=1.65的机械性能的原始表达式可以转换为E_polymer/E_Li=1.53。基于杨氏模量的枝晶抑制关系的优点是更实用，因为杨氏模量的值更容易测量并且可用于更多数量的复合材料和其他材料。请注意，除了Monroe和Newman模型中的假设或该领域目前使用的假设之外，这种转换不做任何额外的假设。

其次，np-ANF的负表面电位和小孔的直径使得从孔壁延伸的双电层重叠不完全，补偿了表面电荷。由于浸入锂电池典型的电解质中，这种膜将由于来自通道壁的排斥而排斥带负电的LPS链。因此，纳米级限制使得离子通过它们的传输具有高度的选择性，从而重新创建了生物学中已知的离子通道的功能类似物。

纳米纤维上的另一个电荷来源可以是从电解质中吸附化学物质。发现LPS可以自发地与np-ANF结合，在其上形成一层强结合的负电荷，从而阻止LPS的传输但促进锂离子的传输。在室温（25°C）下，将np-ANF膜浸入DOL/DME中的0.5MLi₂S₄中10小时。在大量DOL/DME溶剂中反复洗涤5次后，XPS分析仍可在膜表面检测到大量硫（图2A），表明NP-ANF对多硫化物的强吸附性。EDAX和拉曼散射证实了np-ANF膜上的这种LPS吸附（图2B、C）。当吸附在np-ANF上时，在450和520cm^-1的自由溶解状态下观察到的LPS的两个特征拉曼散射峰变宽并出现在400和440cm_-1处。由于np-ANF复合材料上LPS构象状态的多样性，预计吸附的LPS会变宽。

【图2】np-ANF隔膜的多硫化物阻挡能力

XPS研究（A）；拉曼散射光谱（B）；np-ANF在吸附测试Li₂S₄溶液之前和之后的SEM图像、EDAX光谱和相应的N和S元素映射图像（C），然后用DOL/DME溶液冲洗并在手套箱中干燥。DLPS在H型电池中通过Celgard^TM2400和np-ANF膜的扩散。

在圆柱形孔上具有负电荷的np-ANF复合材料预计可渗透锂离子，但由于其负电荷、大尺寸和与通道壁的协同结合而排斥LPS（图2D）。在填充有1，3-二氧戊环（DOL）和二甲氧基乙烷（DME）的H电池（图2D）中研究了LPS通过np-ANF膜的渗透行为，该体积比为1/1，通常用于Li-S电池。将不含LPS的DOL/DME溶剂置于右侧腔室中，同时将含有0.5MLi₂S₄的溶剂置于在左边的腔室里。在浓度梯度的驱动下，LPS很容易在Celgard^TM2400中扩散，右室在10小时内从无色变为深棕色。相反，LPS的扩散被np-ANF膜阻挡（图2D），即使在强烈搅拌下，右室在96小时后仍保持无色。

通过有限元计算通过离子传输的数值模拟进一步研究了LPS阻塞机制。ANF分离器的纳米通道的结构被建模为单个10nm长的通道，其直径为1nm，连接两个容器（图3A）。模型通道的直径由BJH分析测量的实验孔径确定并且类似于细胞膜中基于蛋白质的离子通道中的孔直径。请注意，实际通道长于10nm，孔结构更复杂，这表明模型甚至可以低估传输的选择性。储层和纳米通道都由具有电解质的介电块表示。模型储层大小的限制通过阴离子和阳离子的流入边界设置得到补偿（图3B）。电势差为2V的负极和正极已设置在库的两端，用于模型的通用静电边界条件，而-8mC/m²的表面电荷密度已选择性地应用于np-ANF的隔膜边界进行比较。最初，正极侧的库（库1，图3B）仅填充LPS阴离子（LPS^-的浓度，c_LPS=1M），而包括纳米通道在内的整个系统均均匀地填充有锂阳离子（Li⁺的浓度，c_Li+=1M）。将两种不同的静电条件（在np-ANF膜表面有和没有表面电荷密度）应用于模型，并通过求解耦合的Poisson、Nernst-Planck和Navier-Stokes方程进行时间相关研究。正如预期的那样，LPS阴离子和Li阳离子都可以自由通过不带表面电荷的纳米通道（图3C、D）。然而，当模型包括通道壁上的负表面电荷时，LPS的传输（包括一些最小的LPS物质，例如包括Li₂S₄）被阻止（图3D、ii）。Li⁺阳离子仍然畅通无阻地通过（图3C、ii）。请注意，直到200ns，锂离子层在np-ANF壁上的一些吸附尽管它不会阻止离子传输的通过，但已观察到。通过大孔的离子传输模拟模型（>20nm也已建模）以研究Celgard^TM对LPS通过的性能。因此，计算模型表明，np-ANF可以选择性地阻止LPS传输仅由于静电排斥，甚至不包括尺寸选择性效应，这简化了各种技术的膜工程。

【图3】带电离子物质通过单个纳米通道传输的计算分析

（A）静电边界条件，包括为正极（S@C，碳中的常规硫）和负极（Li，锂金属为2V）和ANF壁上的表面电荷密度（σ）设置的电势。（B）LPS阴离子和Li阳离子的离子传输模块的边界条件。 锂离子（C）和LPS阴离子（D）的浓度图和流线变化（从t =0到t=1μs）在np-ANF隔膜边界上具有（i）和不具有（ii）表面电荷密度。

离子选择性np-ANF膜使锂硫电池具有高硫负载

在具有np-ANF膜的Li-S电池的循环伏安图（CV）中，两个独特的还原峰和一个强氧化峰分别出现在2.36、2.02和2.31V处（图4A）。为简单起见，负极峰和两个正极峰在此将分别表示为峰α、β和γ。2.36V处的γ峰归因于S₈还原为中间LPS（Li₂S_x，4≤x≤8），而2.02V处的第二个还原峰β归因于中间LPS进一步还原为不溶性Li₂S和Li₂S₂。以2.31V为中心的强氧化峰α对应于Li₂S/Li₂S₂脱锂为Li₂S_x（4≤x≤8）并最终成为S₈。在随后的循环中，还原峰和氧化峰的强度几乎保持不变。

【图4】具有np-ANF和Celgard^TM2400膜的Li-S电池的电化学性能

（A）具有np-ANF的CV曲线，扫描倍率为0.1mVs^-1；（B）锂硫电池与np-ANF和Celgard^TM2400膜在0.1C倍率下的循环性能比较；（C）np-ANF和Celgard^TM2400膜在0.1C倍率下的恒电流充放电曲线；（D）使用np-ANF的Li-S电池的倍率性能范围为0.1C至3C及其与Celgard^TM2400的比较；（E）具有np-ANF的Li-S电池膜在3C的倍率下经过3500次循环的循环性能。（F）具有各种膜的Li-S电池每循环的衰减；（G）不同硫负载下锂硫电池在0.1C下的G循环性能。（H）具有np-ANF膜的Li-S电池在5.8mg cm^-2硫负载下循环500次后的倍率为0.2C的循环性能。

使用经典的Randles-Sevick方程，可以进一步了解Li⁺离子扩散特性，获得0.1至0.5mV s^-1不同扫描倍率下的CV曲线。扩散系数分别被确定为D_Li+（α₁）=9.263•10^-8cm²s^-1、D_Li+（β₁）=5.310•10^-8cm²s^-1和D_Li+（γ₁）=0.421•10^-8cm²s^-1对于np-ANF，几乎等于Celgard^TM2400的扩散系数D_Li+（α₂）=9.693•10^-8cm²s^-1，D_Li+（β₂）=5.192•10^-8cm²s^-1和D_Li+（γ₂）=0.567•10^-8cm²s^-1。np-ANF隔膜（0.63）的锂离子迁移数（t_Li+）与纯Celgard^TM2400（0.68）几乎相似。这些数据表明np-ANF不影响Li⁺的扩散特性。线性扫描伏安法（LSV）表明np-ANF在Li-S电池中的高电化学稳定性，表明np-ANF隔膜适用于Li-S电池。

即使在0.1C的低充电/放电倍率下，LPS通过膜的扩散也会对Li-S电池的库仑效率产生不利影响。普通锂硫电池的库仑效率低于70-90%。对于np-ANF和Celgard^TM2400，电池在0.1C循环300次后的库仑效率分别为98%和75%（图4B）。除了库仑效率，放电容量也相应增加，因为np-ANF膜阻碍了金属锂与高阶LPS之间的化学反应，减少了活性材料的损失。例如，在具有np-ANF的电池上获得的初始放电容量为1268mAh g^-1高于具有1029mAhg^-1的Celgard^TM2400（图4C）。此外，容量衰减率也从Celgard^TM2400膜的0.20%降低到每个循环的0.092%。与为Li-S电池设计的其他膜相比，np-ANF膜具有优势，因为它们可以在不同的充电/放电倍率下提高长期循环寿命。需要时，可以通过增加np-ANF的厚度来进一步提高循环寿命以及库仑效率。然而，它会增加扩散路径长度和内阻，伴随着容量的减少。可以预期，不同的能源消耗模式将对锂硫电池的工作有不同需求。np-ANF满足不同要求的能力对于未来电荷存储设备的多参数性能优化至关重要。

Li-S电池的电化学阻抗谱（EIS）使用补充信息中的等效电路进行解释。与循环前的Celgard^TM2400相比，具有np-ANF膜的电池表现出更大的电阻，考虑到这些离子导电膜的孔径减小，这是预期的。然而，在100次循环后，具有np-ANF的电池的R_ct值显著降低，这可能是由于电解质的渗透和活性材料的化学活化。为了比较，具有Celgard^TM2400的电池在100次循环后显示两个半圆。高频半圆（R_sf//CPE_sf）与锂负极上固态Li₂S₂/Li₂S绝缘层的形成和低频第二半圆（R_ct//CPE_ct）分配给电荷转移电阻。相反，具有np-ANF膜的电池在高频区域仅具有一个半圆。此外，np-ANF的相应R_ct值低于Celgard^TM2400，这表明由于在电极表面形成的SEI膜使锂离子传输更容易，反应动力学更快。

虽然LPS的传输被阻断，但通过np-ANF的Li⁺离子传输却没有，事实上，仍然保持快速。由于低内阻、良好的电解质润湿性和高电解质吸收率，Li⁺离子电导率高达0.24mS/cm，这使得Li-S电池在具有离子选择性np-ANF用作离子导体时的倍率提升（图4D）。电流密度在0.1和3.0C之间变化，放电容量分别为1268、1092、969、889、703和521mAh g^-1。当充电/放电倍率降低回0.1C时，使用np-ANF的电池恢复了接近原始容量的1224mAh g^-1容量，而使用Celgard^TM2400膜的电池则观察到了931mAhg^-1。使用np-ANF膜的电池在3C下显示出超过3500次循环的循环寿命（图4E），每个循环的容量衰减低至0.01%（图4F）。与许多其他用于锂硫电池的离子导电膜相比，包括主要用作物理屏障的碳中间层，np-ANF在长期抑制LPS扩散方面更有效。

此外，为了研究np-ANF隔膜在电动汽车和类似应用中的可行性，硫负载量增加到3.6和5.8mg cm^-2。电池仍然能够提供1142mAh g^-1（3.6mg cm^-2）和1018mAh g^-1（5.8mg cm^-2）的高初始容量（图4G），相应的面积容量为4.1和5.9mAhcm^-2。基于充电/放电曲线，在较高的硫负载量下没有观察到极化增加。还针对从0.1C到3.0C的各种电流倍率测试了具有高硫负载的电池。在3.0C下获得了558mAh g^-1的高放电容量。与1.2mg cm^-2硫负载的情况类似，即使在硫负载高达5.8mg cm^-2时，由于有效缓解了LPS从正极转移到负极。高硫正极也可以进行500次循环（初始容量945mAh g^-1，5.5mAh cm^-2在0.2C）的长期循环（图4H）；它们的容量与硫负载≥3.0mg cm^-2的大多数Li-S电池相比具有竞争力甚至更好。

np-ANF膜使锂硫电池具有耐高温性

Li-S电池对高温的耐受性是决定其安全性的重要参数，因为升高的工作温度伴随着更高的充放电率。此外，操作温度升高还会加剧多硫化物的溶解，加速活性材料的消耗和容量的衰减。因此，具有np-ANF膜的电池在80°C下进行了研究。与室温循环（1268mAh g^-1）相比，np-ANF电池在0.1C（图5A）下的容量增加至1346mAhg^-1。当电流密度逐步增加时，np-ANF在0.2C、0.5C、1C、2C和3C时的放电容量分别为1249、1140、1032、916和801mAhg^-1，具有容量保持率约60%，表现出比使用Celgard^TM2400膜的电池更好的高温倍率性能。当充电/放电倍率降至0.1C时，观察到1302mAh g^-1的放电容量，并在随后的100个充放电循环中几乎保持稳定，而容量迅速下降并降至300mAhg-1以下使用Celgard^TM2400膜的电池仅循环60次后（图5B）。由于多硫化物中Li⁺的扩散系数增加，采用np-ANF的电池容量增加（图5C），而对于Celgard^TM2400膜，由于LPS的交叉引起的快速自放电，观察到相反的趋势。具有np-ANF的电池还显示出较长的循环寿命，在3C的500次循环中具有低容量衰减（每循环0.081%），并且在高达80℃的温度下库仑效率保持在95-99%（图5D），这超过了最先进的Li-S电池。

【图5】具有np-ANF和Celgard^TM2400膜的Li-S电池在80°C高温下的电化学性能

（A）使用np-ANF的Li-S电池的倍率性能范围为0.1C至3C，并与Celgard^TM2400进行比较。（B）Li-S电池在0.1C和80°C下的循环性能。（C）np-ANF和Celgard^TM2400膜在不同温度下的容量比较。（D）循环性能具有np-ANF膜的Li-S电池在80°C下循环500次后的倍率为3C。

np-ANF膜抑制锂枝晶

所有锂金属负极在充电时都会发生枝晶生长。为了证明np-ANF膜对枝晶的抑制作用，在对称的Li/膜/Li中循环充电/放电，使用1mol/LLiCF₃SO₃DOL：DME（v/v=1/1）电池在250小时内进行了研究（图6A）。具有np-ANF的电池表现出可忽略不计的电压损失或波动。相比之下，Celgard^TM2400电池的电压随着周期的增加而增加，由于枝晶诱导的软短路，在250小时后几乎增加了100%。为了详细研究电压曲线的演变，使用np-ANF和Celgard^TM2400膜的电池的10小时、100小时和突然增加的循环被进一步放大为图6A中的插图。对于具有np-ANF膜的电池，充电和放电状态下的平坦电压曲线可以在整个循环中保持，而滞后不会明显增加，而具有Celgard^TM2400的电池在每个剥离/沉积的阶段的初始和最终都显示出波动的电压曲线和始终较高的过电位，从而促进枝晶的生长。当将电流密度增加到2mA cm^-2和3mA cm^-2时，np-ANF也观察到循环稳定性大大提高（图6B、C），而具有Celgard^TM2400的电池表现出滞后逐渐增加。尽管高倍率充电/放电循环刺激了枝晶生长，但锂电极的表面图像即使在3mAcm^-2的高电流密度下循环250小时后也始终保持平坦（图6E）。具有Celgard^TM2400的锂电池在相同条件下或什至在较低电流密度1mA cm^-2下循环250小时后显示出粗糙的表面和大量的枝晶形成（图6F、G）。在2和3mA cm^-2的高电流密度下，在锂电极表面上观察到枝晶的大量生长（图6H、I）。这种截然不同的结果进一步证明了np-ANF膜的优势。

【图6】np-ANF和Celgard^TM2400膜在电流密度为（A）1mA cm^-2、（B）2mA cm^-2和（C）3mA cm^-2下的循环稳定性比较，剥离/沉积容量为1mAh cm^-2。

具有np-ANF膜的锂电极在1mol/LLiCF₃SO₃DOL：DMEv/v=1/1中剥离/沉积250小时后的SEM图像：），电流密度（D）1mA cm^-2和E3mA cm^-2。具有Celgard^TM2400膜的锂电极在电流密度（F）下1mol/LLiCF₃SO₃DOL：DMEv/v=1/1中剥离/沉积250小时后的SEM图像，放大图像（G）1mA cm^-2和（H），放大图像（I）3mA cm^-2.

具有np-ANF膜的Li-S电池的多因素性能

作为一项复杂任务的示例，设计满足几个通常相反的参数（例如高放电率和长循环寿命）的电池，使用字形图对具有np-ANF隔膜的Li-S电池进行了多参数性能研究（图7）。选择以下参数来研究最先进的Li-S电池，因为它们对多种技术具有重要意义：0.1C时的初始放电容量（mAhg^-1）；1.0C时的初始放电容量（mAhg^-1）；循环寿命为1.0C；1.0C下的容量保持率（%）；库仑效率（%）；最大硫含量（mg/cm²）；最高工作温度（°C）。由于电池容量随着这些指标的增加而增加，因此字形图所包围的总面积可以用作累积容量标准（CCC，％）来比较和优化电池。CCC被列举为由字形图包围的面积与能力相关属性范围的最大值的百分比（图7）。如果可行，它还可以包括基于报告的测量误差的不确定性区间。也可以包括针对类似材料的不同版本或不同操作条件获得的不同参数的相互依赖的变化。在这里，使用可比较的数据集分析了Li-S电池的数据。研究表明，具有np-ANF的电池膜的全面性能超过了目前最先进的锂硫电池。需要时，可以选择更长的参数列表，尽管方法将保持不变。为了更广泛地使用CCC分析，建议将变异范围纳入数据中。当几种材料在CCC分析中可以相似时，对于大型参数集尤其重要，这样可以确定几个工程选项。

【图7】基于字形图和累积能力标准（CCC）的各种Li-S电池的多参数比较

CCC的值在每个字形图的顶部红色角落给出。图表的详细数据集在补充信息中提供。np-ANF左上角的灰色区域是测量的可变性范围。对于许多性能参数，没有报告错误值。

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4、总结与展望

集成离子通道线纳米级孔和软骨样结构的仿生np-ANF膜可以有效地阻止LPS传输，同时对Li⁺离子保持透明。除了通过np-ANF中的1nm孔实现基于离子大小的LPS筛选之外，通过吸附排斥相似离子的LPS增强了孔壁上的表面电荷密度。渗透纳米纤维的高度互连网络和芳纶的固有材料特性相结合，同时能够有效抑制枝晶和电池在高温下的长期运行。np-ANF的多因素工程包含窄孔径、负电荷、高机械和热性能的膜共同导致了锂硫电池的有希望的电化学性能，超过了当前技术水平，比较了几个单一参数和全面性能。ANF制造的简单性和作为可回收聚合物的母材Kevlar的可用性使其能够在不同的能源技术中得到广泛应用。

参考文献

Wang,M., Emre, A.E., Kim, JY. et al. Multifactorial engineering ofbiomimetic membranes for batteries with multiple high-performanceparameters. Nat Commun 13, 278 (2022).

DOI:10.1038/s41467-021-27861-w

https://doi.org/10.1038/s41467-021-27861-w

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