- 新型纖維素隔膜融合比基塔石，提升鋰金屬電池性能。
- CBT 隔膜在高放電速率下顯著提高電池容量，改善約 42%。
- 改良隔膜有助於控制鋰沉積，避免樹枝晶生長。
- 該技術可適應現有電池生產線，具備商業化潛力。
一種新型的纖維素隔膜，融合了比基塔石，能夠幫助鋰金屬電池應對快速循環，同時提升高鎳 NCM90 正極的性能。來自南韓的研究人員發現，該隔膜在高放電速率下能夠提高電池容量，並有效防止鋰金屬陽極上形成樹枝晶。這種名為 CBT 的隔膜利用多孔的纖維素結構結合比基塔石，一種沸石礦物。兩者共同創造了通道，使鋰離子能夠更加均勻地在電池內移動。這對於鋰金屬電池而言至關重要，因為其能提供比傳統鋰離子電池更高的能量密度，但在高放電速率下運行依然困難。
不均勻的鋰沉積可能會產生樹枝晶，而電解質的降解則會降低性能並增加短路的風險。
CBT 隔膜性能提升
由漢拚國立大學的劉善佑教授領導的研究小組發現，經改良的隔膜同樣解決了正極側的一個問題，即高放電速率可能導致可用容量劇降。CBT 隔膜的離子導電率達到 3.45 × 10⁻³ S cm⁻¹，鋰離子傳輸數為 0.742。研究人員將這些特性與更快和更均勻的離子運輸聯繫起來，從而減少在苛刻充放電條件下的極化。在 1C 放電速率下，使用 CBT 隔膜和傳統聚乙烯隔膜的電池均可提供約 197 mAh g⁻¹ 的容量。
然而，在更高的放電速率下，兩者之間的差距擴大。在 2C 放電速率下，CBT 隔膜提供 187 mAh g⁻¹，而傳統隔膜則為 165 mAh g⁻¹。在 4C 放電速率下，使用 CBT 的 NCM90 正極達到 163 mAh g⁻¹，而傳統隔膜僅產生 115 mAh g⁻¹。這顯示出約 42% 的改善，顯示隔膜不僅能影響陽極穩定性，還能提升正極性能。
改良隔膜的潛力
劉教授表示：「我們的結果顯示，電池性能的提升不僅依賴於新的正極和陰極材料，還可以通過隔膜工程來實現。特別有趣的是，改良隔膜的效果延伸至鋰金屬陽極，顯著改善了 NCM90 正極的高放電性能。」該隔膜還有助於控制鋰的沉積。實時觀察顯示，在使用 CBT 的電池中，沒有可見的樹枝晶生長。相反，鋰形成了一層更光滑、更緊密的沉積，並在剝離過程中更均勻地去除。這些電池在 2C/4C 下經過 2500 次循環後，保留約 60% 的容量。
而在 -25 °C (-13°F) 下經過 150 次循環後，隔膜仍維持約 68.9% 的容量，並且在 200 °C (392°F) 下保持穩定。
這種方法避免了對電極的重新設計，並有潛力適應現有的電池生產線。然而，它仍需在商業袋式和圓柱形電池中進行測試。劉教授強調：「功能性隔膜不應僅視為分隔兩個電極的屏障，也不是僅用於保護鋰金屬陽極。通過控制電池內的離子運輸，它們有可能成為實現下一代電池同時具備高能量密度和高放電性能的重要設計元素。」該研究已發表在《先進功能材料》期刊上。
項目 規格 離子導電率 3.45 × 10⁻³ S cm⁻¹ 鋰離子傳輸數 0.742 2C 循環容量 187 mAh g⁻¹ 4C 循環容量 163 mAh g⁻¹
新型隔膜對電池技術的影響
CBT 隔膜的發展顯示出隔膜工程在提升鋰金屬電池性能中的重要性。傳統電池設計往往只專注於電極材料，而這項研究強調了隔膜對於電池運行穩定性及性能的關鍵作用。透過改良隔膜，不僅能提高電池容量，還能有效控制鋰的沉積，減少樹枝晶的形成，這對於高能量密度電池的商業化至關重要。隨著這項技術的成熟，未來有望在多種電池型號中實現廣泛應用。