- 新型纤维素隔膜融合比基塔石，提升锂金属电池性能。
- CBT 隔膜在高放电速率下显著提高电池容量，改善约 42%。
- 改良隔膜有助于控制锂沉积，避免树枝晶生长。
- 该技术可适应现有电池生产线，具备商业化潜力。
一种新型的纤维素隔膜，融合了比基塔石，能够帮助锂金属电池应对快速循环，同时提升高镍 NCM90 正极的性能。来自韩国（南韩）的研究人员发现，该隔膜在高放电速率下能够提高电池容量，并有效防止锂金属阳极上形成树枝晶。这种名为 CBT 的隔膜利用多孔的纤维素结构结合比基塔石，一种沸石矿物。两者共同创造了通道，使锂离子能够更加均匀地在电池内移动。这对于锂金属电池而言至关重要，因为其能提供比传统锂离子电池更高的能量密度，但在高放电速率下运行依然困难。
不均匀的锂沉积可能会产生树枝晶，而电解质的降解则会降低性能并增加短路的风险。
CBT 隔膜性能提升
由汉拚国立大学的刘善佑教授领导的研究小组发现，经改良的隔膜同样解决了正极侧的一个问题，即高放电速率可能导致可用容量剧降。CBT 隔膜的离子导电率达到 3.45 × 10⁻³ S cm⁻¹，锂离子传输数为 0.742。研究人员将这些特性与更快和更均匀的离子运输联系起来，从而减少在苛刻充放电条件下的极化。在 1C 放电速率下，使用 CBT 隔膜和传统聚乙烯隔膜的电池均可提供约 197 mAh g⁻¹ 的容量。
然而，在更高的放电速率下，两者之间的差距扩大。在 2C 放电速率下，CBT 隔膜提供 187 mAh g⁻¹，而传统隔膜则为 165 mAh g⁻¹。在 4C 放电速率下，使用 CBT 的 NCM90 正极达到 163 mAh g⁻¹，而传统隔膜仅产生 115 mAh g⁻¹。这显示出约 42% 的改善，表明隔膜不仅能影响阳极稳定性，还能提升正极性能。
改良隔膜的潜力
刘教授表示：“我们的结果显示，电池性能的提升不仅依赖于新的正极和阴极材料，还可以通过隔膜工程来实现。特别有趣的是，改良隔膜的效果延伸至锂金属阳极，显著改善了 NCM90 正极的高放电性能。”该隔膜还有助于控制锂的沉积。实时观察显示，在使用 CBT 的电池中，没有可见的树枝晶生长。相反，锂形成了一层更光滑、更紧密的沉积，并在剥离过程中更均匀地去除。这些电池在 2C/4C 下经过 2500 次循环后，保留约 60% 的容量。
而在 -25 °C (-13°F) 下经过 150 次循环后，隔膜仍维持约 68.9% 的容量，并且在 200 °C (392°F) 下保持稳定。
这种方法避免了对电极的重新设计，并有潜力适应现有的电池生产线。然而，它仍需在商业袋式和圆柱形电池中进行测试。刘教授强调：“功能性隔膜不应仅视为分隔两个电极的屏障，也不是仅用于保护锂金属阳极。通过控制电池内的离子运输，它们有可能成为实现下一代电池同时具备高能量密度和高放电性能的重要设计元素。”该研究已发表在《先进功能材料》期刊上。
项目 规格 离子导电率 3.45 × 10⁻³ S cm⁻¹ 锂离子传输数 0.742 2C 循环容量 187 mAh g⁻¹ 4C 循环容量 163 mAh g⁻¹
新型隔膜对电池技术的影响
CBT 隔膜的发展显示出隔膜工程在提升锂金属电池性能中的重要性。传统电池设计往往只专注于电极材料，而这项研究强调了隔膜对于电池运行稳定性及性能的关键作用。通过改良隔膜，不仅能提高电池容量，还能有效控制锂的沉积，减少树枝晶的形成，这对于高能量密度电池的商业化至关重要。随着这项技术的成熟，未来有望在多种电池型号中实现广泛应用。