在本研究中，使用简便的静电纺丝方法和随后的热解工艺合成了一系列多掺杂分层纤维网络结构，从而产生了用于Na-O2电池的无粘合剂自支撑阴极。这种无粘合剂电极对于避免电池运行过程中已知的退化问题非常重要。使用聚离子液体（聚二甲基二烯丙基铵双氟磺酰亚胺（PDADMA FSI））、多掺杂（S、N和F构型）碳纳米纤维源和聚丙烯腈（PAN）作为共前体。PDADMA FSI在调节碳纳米纤维的形态（纤维直径、比表面积和孔径）方面发挥着重要作用，提供了控制电催化活性的策略。事实上，增加前驱体混合物中PDADMA FSI的含量会导致更大的比表面积和更小的纤维直径，从而提高电池的放电容量。空气阴极中的多重掺杂以及吡啶-N构型、离子C-F键和噻吩S键（C-S-C）的协同效应增强了氧还原反应，从而提高了放电容量（在0.6mA/cm2下为0.35mAh/cm2）。已在一系列电解质（例如离子液体、有机溶剂和混合电解质）中对Na-O2电池空气阴极进行了评估，其表现出优异的长期循环性能（157次循环），是已报告的N掺杂碳基空气阴极的最高值。
图1.碳纳米纤维在800℃下热解的SEM图像：（a）PAN:PDADMA FSI 100:0（原始CNFs），（b）PAN:PDADMA FSI 80:20，（c）PAN:PDADMA FSI 70:30，和（d）PAN:PDADMA FSI 60:40。（e）PAN:PDADMA FSI 70:30的透射电镜（TEM）图像，（f）HRTEM图像，（g-l）TEM图像以及C、N、O、F和S的相应EDX元素映射。
图2.（a）使用本研究中的四种不同空气阴极的Na-O2半电池的电压曲线。外加电流：0.6mA/cm2，截止电位：1.6–3.2V（vs.Na0/Na+），电解液：含16.6mol%NaTFSI的[C4mpyr][TFSI]。PAN:PDADMA FSI前体混合物中PDADMA FSI的量对（b）四个空气阴极的比表面积、平均纤维直径和比放电容量，（c）原子含量和ID/IG比率，以及（d）N、（e）F和（f）S物种的影响。
图3.在800℃下制备的不同厚度PAN:PDADMA FSI 70:30的SEM图像：（a）108μm，（b）230μm，（c）310μm。（a）-（c）中的插图：相关的横截面SEM图像。（d）使用三种不同厚度CNF空气阴极的Na-O2电池（半电池）的电压分布。（e）三种空气阴极的厚度、孔隙空间、纤维量和比电荷容量之间的相关性。外加电流：0.6mA/cm2，截止电位：1.6–3.2V（vs.Na0/Na+），电解液：含16.6mol%NaTFSI的[C4mpyr][TFSI]。
图4.（a）使用三种不同电解质时（含16.6mol%NaTFSI的[C4mpyr][TFSI]、G2和G2/[C4mpyr][TFSI]），以310μm厚的PAN:PDADMA FSI 70:30作为空气阴极的Na-O2电池的深度放电。（b）使用含16.6mol%NaTFSI的G2和G2/[C4mpyr][TFSI]时空气阴极上放电产物的拉曼光谱。外加电流密度：0.1mA/cm2，室温下截止电位为1.6V。
图5.使用含16.6mol%NaTFSI的（a和b）G2和（c和d）G2/[C4mpyr][TFSI]时，以310μm厚的PAN:PDADMA FSI 70:30作为空气阴极的Na-O2电池第一次循环后放电产物的SEM显微照片。外加电流密度：0.1mA/cm2，截止电位1.6V，RT。空气阴极（a和c）与电解质接触和（b和d）与氧气接触的显微照片。使用厚度为310μm的PAN:PDADMA FSI 70:30空气阴极以及不同电解质时Na-O2电池阴极放电产物的EDS映射（左），以及碳、钠（中）和氧（右）的存在和分布：（e）含16.6mol%NaTFSI的G2和（f）G2/[C4mpyr][TFSI]。
图6.（a）使用三种不同电解质的Na-O2电池的电压曲线（第一次循环）：含16.6mol%NaTFSI的[C4mpyr][TFSI]、二甘醇二甲醚（G2）和G2/[C4mpyr][TFSI]。（b）使用PAN:PDADMA FSI 70:30-310和含16.6mol%NaTFSI的[C4mpyr][TFSI]时，Na-O2电池初始循环的循环性能（第2到第4个循环）。（c和d）Na-O2电池在（c）0.1mAh/cm2以及随后（d）0.25mAh/cm2的有限容量下的长期循环性能和库仑效率。（e和f）两种电池在（e）第25、50和100次循环以及（f）第101、109和158次循环时的电压曲线。外加电流0.1mA/cm2，截止电位1.6-3.6V，RT。
图7.NaO2生长/解吸机理的密度泛函理论计算。（a）N-C/NaO2、NF-C/NaO2、NS-C/NaO2和NSF-C/NaO2的吸附结构。C、N、O、F、S和Na原子分别为黑色、蓝色、红色、灰色、黄色和紫色球。（b）N-C、（c）NF-C、（d）NS-C和（e）NFS-C表面上NaO2以及反应物和中间体分解/生长的自由能图。*表示用于吸附NaO2的底物。
