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陰離子和陽離子在原子尺度上的調(diào)控在基于膜的分離技術(shù)中具有重要意義。離子傳輸調(diào)節(jié)技術(shù)也可以在開發(fā)高性能堿金屬電池（例如堿金屬硫和堿金屬硒電池）方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

這些電池存在堿金屬離子（例如Li⁺或Na⁺）的不均勻傳輸和多硫化物/多硒化物（PS）陰離子的有害穿梭效應(yīng)。這些缺點可能造成金屬電極處堿金屬沉積物的不利增長和正極活性材料的不可逆消耗，從而導(dǎo)致容量衰減和循環(huán)壽命降低。

澳大利亞悉尼科技大學(xué)汪國秀、南京理工大學(xué)朱俊武等人報道了一種采用具有Ti原子空位和帶負(fù)電的Ti_0.87O₂納米片來改性聚丙烯隔膜，以解決上述問題。

圖1 二維多孔納米片在膜分離和堿金屬-S/Se電池中作為選擇性離子篩的示意圖

Ti原子空位可以作為亞納米孔，使Ti_0.87O₂層成為一種有前途的隔膜涂層材料，用于在原子尺度上同時調(diào)節(jié)Li⁺/Na⁺和PS陰離子的遷移。

在堿金屬電池的負(fù)極側(cè)，帶負(fù)電荷的納米片提供了強大的靜電相互作用，以實現(xiàn)Li⁺/Na⁺離子通量的有效粘附和均勻分布，從而減少了具有不利形態(tài)的Li/Na金屬沉積物的生長。此外，豐富的Ti空位和納米厚度為Li⁺/Na⁺陽離子的擴散提供了快速途徑。

在堿金屬電池的S/Se正極側(cè)，具有高負(fù)電荷密度的帶負(fù)電的Ti_0.87O₂納米片通過強靜電排斥效應(yīng)有效地排除了PS陰離子。

此外，由于幾何限制，尺寸大于Ti空位尺寸的PS陰離子被選擇性排除。因此，當(dāng)應(yīng)用于Li-S、Li-Se和Na-Se電池時，Ti_0.87O₂涂層隔膜可實現(xiàn)長期循環(huán)穩(wěn)定性。

圖2 Ti_0.87O₂/PP隔膜抑制多硫化物穿梭的能力

圖3 Li-S電池性能

Atomic-scale regulation of anionic and cationic migration in alkali metal batteries. Nature Communications 2021. DOI: 10.1038/s41467-021-24399-9

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