高比能和高安全性的锂金属电池对于下一代储能技术至关重要。然而，目前商用的隔膜存在许多重大缺陷，例如热稳定性差，可能会导致电池的正负极接触和短路。此外，隔膜和电解质之间的润湿性差，机械性能低，这将导致锂沉积不均匀和锂枝晶的生长。因此，迫切需要为下一代高比锂金属电池开发新的多功能隔膜。
中国矿业大学（北京）刘瑞平课题组报道了一种空位工程调控TiNb2O7改性的PE隔膜（表示为TNO-x-PE）。通过在受控氩气气氛下煅烧调节TNO的氧空位，可以提高TNO的电导率，从而提供了更多的锂离子传输通道。此外，氧空位的引入还可以增强材料的电荷转移能力和吸附阴离子的能力，引导锂离子通量的均匀分布，抑制锂枝晶的生长。TNO-x-PE隔膜的物理和电化学性能大大提高，具有更高的离子电导率（0.67 mS cm-1）、更大的锂离子迁移率（0.64）和更小的接触角（9.1°）。此外，Li/TNO-x-PE/Li 对称电池可以在 1 mA cm-2 的电流密度下稳定循环超过 1600 小时。用磷酸铁锂 (LFP) 正极组装的电池可以在 1 C 下循环超过 500 次，容量保持率高达 99.5%。这项工作为设计具有高安全性和优异的电化学性能的隔膜提供了一种新方法。
图1 a）TNO和b）TNO-x的SEM图像。c）TNO-x和TNO的EPR曲线。d）TNO-x和TNO的O 1s的高分辨率XPS光谱。e）TNO−x和TNO的计算态密度。f）TNO和TNO-x的Li+迁移路径（红色、紫色、绿色和灰色球分别代表O、Li、Nb和Ti原子）。g）TNO和TNO-x中Li+迁移的能量势垒。
图2 a）PE隔膜、b）TNO-PE隔膜和c）TNO-x-PE隔膜的表面SEM图像。d）不同隔膜在相同时间内的接触角。e）TNO-x-PE、TNO-PE和PE隔膜的电解液浸没高度。f）不同隔膜的孔隙率和电解质吸收率。g）PE、TNO-PE和TNO-x-PE隔膜的DSC曲线。h）不同隔膜的抗拉强度。
图3 a）不同隔膜的离子电导率。b）TNO-x-PE隔膜离子迁移数测试。c）不同隔膜的锂离子迁移数比较。d）不同隔膜的LSV曲线。e）不同隔膜的对称电池的倍率性能。f）不同隔膜的对称电池在1mA cm-2电流密度下的循环性能。
图4 a）不同隔膜的LFP||Li全电池在1 C下的长循环性能。b）不同循环次数的LFP/TNO−x-PE/Li电池的充放电曲线。c）不同的隔膜在200次循环后的EIS测试。d）不同隔膜的倍率性能。e）TNO-x-PE在不同倍率下的充放电曲线。
论文信息：
Oxygen Vacancy Engineering of TiNb2O7 Modified PE Separator Toward Dendrite-Free Lithium Metal Battery
Wenhao Tang, Yirui Deng, Zhiwei Xing, Xin Zhang, Taotao Zhou, Lianlong Hou*, Dalei Zhao, Ruiping Liu*
Small Methods
DOI: 10.1002/smtd.202401606
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