锂硫电池发展趋势与需求

　　随着便携电子产品和电动汽车的快速发展，高能量密度电池的需求也日益增加。传统的锂离子电池虽已占据了主导市场，但其能量密度逐渐逼近理论天花板，不太可能超过350 Wh/kg。这一门槛被认为对电动汽车、机器人、柔性和可穿戴电子产品以及航空和太空运输的未来至关重要。

　　然而，Li-S电池的产业化仍面临两大关键挑战：（1）多硫化物穿梭效应：可溶性多硫化锂（LiPSs）在正负极间扩散，导致活性物质损失和容量衰减。（2）锂枝晶生长：不均匀锂沉积引发短路风险，降低库仑效率和循环寿命。对此，研究者采取了各种策略，包括硫阴极的设计、锂金属的保护、电解质优化和隔膜改性。其中，功能化隔膜在同时增强离子选择性和界面稳定性方面具有巨大的优势。然而，随机堆叠的功能隔膜无法兼顾高选择性与高渗透性，阻碍了锂离子和多硫阴离子的有效分离。

　　（1）受启发于细胞膜的离子选择性，本研究通过壳聚糖（CS）与纤维素纤维（CF）和共价有机骨架（COF）的相容性，促进了ICOFs的优选（100）取向自组装，构建了具有定向离子通道的仿生超薄纤维素复合隔膜（CF@ICOF,8 μm）。

　　在这项工作中，研究团队利用壳聚糖（CS）与纤维素纤维（CF）和共价有机骨架（COF）的相容性，促进了具有优选（100）取向的ICOFs的自组装，开发了一种具有高离子选择性和渗透性的仿生超薄（8 μm）纤维素复合隔膜。该CF@ICOF隔膜表现出高锂离子通量（2.186 mS cm⁻¹）和出色的Li⁺/S₆²⁻选择性（275.97），有效抑制LiPSs穿梭和锂枝晶形成。因此，采用CF@ICOF隔膜的Li-S电池可提供超稳定的循环性能，在0.5C下循环800次，每个循环的容量衰减仅为0.047%。即使使用高硫阴极（11.12 mg cm⁻²）和稀薄电解质（3.5 μL mg⁻¹），Li/CF@ICOF/S电池在 200次循环后仍保持92.73% 的容量。此外，集成CF@ICOF隔膜的柔性软包电池可为LED稳定供电，并且展示了高能量密度（440.98 Wh kg⁻¹）和出色的循环稳定性。

　　该研究设计的CF@ICOF隔膜是现有报道文章中最薄且具有定向离子选择通道的纤维素隔膜，该工作是对现有纤维素隔膜研究领域中一个很好的补充。

　　该研究成果基于团队在木质纤维溶剂及纤维素膜材料领域的多年探索。团队曾在Chemical Engineering Journal、Carbohydrate Polymers、International Journal of Biological Macromolecules等国际期刊上发表多篇论文。

　　该成果以“Biomimetic Ultrathin Cellulose Composite Separators for High-Performance Lithium–Sulfur Batteries”为题发表于国际知名期刊《Advanced Functional Materials》。论文共同第一作者为华南理工大学廖婷婷和科罗拉多大学黄绍峰，共同通讯作者为华南理工大学轻工科学与工程学院、先进造纸与纸基材料全国重点实验室王蕾副教授和科罗拉多大学张伟教授。该研究工作得到先进造纸与纸基材料全国重点实验室测试平台的支持。