Polysulfide and Li Dendrite-Blocking Aramid Nanofiber/Metal–Organic Framework Composite Separators for Advanced Lithium–Sulfur Batteries

多硫化物 分离器(采油) 材料科学 电解质 复合数 极限抗拉强度 纳米纤维 化学工程 润湿 电化学 复合材料 电极 化学 物理 工程类 物理化学 热力学
作者
Weiwei Li,Bin Yang,Ruixue Pang,Linxin Zhong,Meiyun Zhang
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:6 (2): 1059-1071 被引量:15
标识
DOI:10.1021/acsanm.2c04500
摘要

Separators are essential for supplying ion transport channels and preventing short circuits. Despite considerable effort, high-performance separators with desirable overall properties such as excellent thermostability, wettability, and impressive properties for suppressing lithium dendrites and polysulfide intermediates remain elusive. Here, we present an aramid nanofiber (ANF) and metal–organic framework (MOF) composite separator (ANF@MOFs) utilizing in situ growth of MOFs onto the extremely porous ANF network substrate. Benefiting from the features of the excellent strength, modulus, and nanoporosity of the ANF network, as well as the enormous specific surface area and sufficient metal sites of MOFs, the resultant ANF@MOFs separator exhibits excellent mechanical strength (a tensile strength of 110.7 MPa and a modulus of 3.1 GPa), improved liquid electrolyte wettability (an electrolyte uptake of 258.3%), and exceptional thermal stability (dimensionally stable after heating at 200 °C for 0.5 h). The ANF@MOFs separator not only demonstrates promising capabilities for physically blocking and chemically adsorbing Li2S2/Li2S and hence suppressing the Li2Sx shuttle effect but also suppresses the perforation of lithium dendrites, resulting in remarkable electrochemical and safety features. The battery equipped with the ANF@MOFs separator has a high first-cycle discharge capacity of 1081.92 mAh g–1 and a prolonged cycling performance with a capacity of 876.36 mAh g–1 at 0.5 C after 200 cycles. As a result, the high-performance ANF@MOFs composite separator provides significant potential for future lithium–sulfur batteries.
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