N, B, F三元共掺杂木质素基碳纤维改性锂硫电池隔膜电化学性能

张换春; 李彦岑; 孙润仓; 胡顺友

张换春,李彦岑,孙润仓,胡顺友.N, B, F三元共掺杂木质素基碳纤维改性锂硫电池隔膜电化学性能[J].中国造纸学报,2025,40(4):20-30

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N, B, F三元共掺杂木质素基碳纤维改性锂硫电池隔膜电化学性能

Lignin-derived N, B, and F Tri-doped Carbon Fibers for Improving Electrochemical Performances of Lithium-Sulfur Battery Separators

投稿时间：2025-09-18 修订日期：2025-10-06

DOI：10.11981/j.issn.1000-6842.2025.04.20

中文关键词: 木质素锂硫电池碳纳米纤维静电纺丝多硫化锂

Key Words:lignin lithium-sulfur batteries carbon nanofibers electrospinning lithium polysulfides

基金项目:大连工业大学引进人才科研启动经费项目（LJBKY2024031，LJBKY2025018）；辽宁省博士科研启动基金计划项目（2025-BS-0464）；中国科协青年人才托举工程项目（2024QNRC0555）。

作者	单位	邮编
张换春^*	大连工业大学轻工与化学工程学院，辽宁大连，116034	116034
李彦岑	大连工业大学轻工与化学工程学院，辽宁大连，116034	116034
孙润仓^*	大连工业大学轻工与化学工程学院，辽宁大连，116034	116034
胡顺友^*	大连工业大学轻工与化学工程学院，辽宁大连，116034	116034

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中文摘要:

本研究采用碱木质素为原料，通过引入离子液体并结合静电纺丝技术，成功制备了氮（N）、硼（B）、氟（F）三元共掺杂的碳纳米纤维（NBFCNF），并将其与商业聚丙烯（PP）隔膜结合，用于制备功能化界面层（NBFCNF/PP）。通过扫描电子显微镜、接触角测量等表征手段，并结合循环伏安、恒流充放电、交流阻抗等电化学分析，重点探究了NBFCNF/PP锂硫电池隔膜的微观孔隙结构、导电网络构建、界面化学特性及多硫化锂反应动力学。结果表明，在高硫负载（5.0与6.5 mg/cm²）条件下，NBFCNF/PP锂硫电池在200次充放电循环后，分别实现了673和577 mAh/g的放电比容量；在电流密度0.2 C下循环200次后，该电池仍可保持963.5 mAh/g的放电容量（容量保持率73%），显著优于PP锂硫电池。NBFCNF/PP锂硫电池能够有效地化学吸附多硫化锂分子，抑制其穿梭效应，提升界面反应动力学，并显著改善电池的循环稳定性与倍率性能。

Abstract:

In this study， alkali lignin was employed as raw material to synthesize nitrogen， boron， and fluorine ternary-doped carbon nanofiber (NBFCNF) via ionic liquid-assisted electrospinning. The NBFCNF was integrated onto commercial polypropylene (PP) separators to construct a functional interfacial layer (NBFCNF/PP). The microporous structure， conductive network formation， interfacial chemical properties， and lithium polysulfide reaction kinetics of separators for lithium-sulfur batteries were systematically investigated， using scanning electron microscopy， contact angle measurements， cyclic voltammetry， galvanostatic charge-discharge， and electrochemical impedance spectroscopy. The results showed that under high sulfur loadings (5.0 and 6.5 mg/cm²)， lithium-sulfur batteries with NBFCNF/PP separators delivered discharge capacities of 673 and 577 mAh/g， respectively， after 200 charge-discharge cycles. At current density of 0.2 C， the batteries retained a discharge capacity of 963.5 mAh/g after 200 cycles， corresponding to a capacity retention of 73%， significantly outperforming lithium-sulfur batteries with PP separators. The effective chemical adsorption of lithium polysulfides was caused by the NBFCNF/PP separator， which suppressed the shuttle effect， accelerates interfacial reaction kinetics， and markedly improved cycling stability and rate capability.

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