阴离子和阳离子在原子尺度上的调节在膜分离技术中具有重要意义。这种离子传输调节技术在开发高性能碱金属电池如碱金属-硫和碱金属-硒电池中同样发挥关键作用，这些电池存在碱金属离子（例如，Li⁺或Na⁺）的不均匀传输和多硫化物/多硒阴离子的有害穿梭效应等问题。这些问题会导致金属电极上碱金属沉积物的不利增长和正极活性材料的不可逆消耗，从而导致容量衰减和短循环寿命。

有鉴于此，南京理工大学朱俊武教授，澳大利亚悉尼科技大学汪国秀教授报道了将具有Ti原子空位的二维（2D）负电型二氧化钛（Ti_0.87O₂）纳米片作为碱金属电池的选择性离子筛。

文章要点

1）这种Ti_0.87O₂纳米片为单晶单层纳米片，厚度为0.75 nm，从母体层状氧化物中剥离出来。通过简易的过滤方法，这些单层被逐层自组装到商用PP隔膜上，形成厚度约为80 nm、表面积质量负载为0.016 mg cm⁻²的Ti_0.87O₂涂层。

2）研究发现，Ti原子空位可以起到亚纳米孔隙的作用，使Ti_0.87O₂层成为在原子尺度上同时调节Li⁺/Na⁺离子和PS阴离子迁移的一种很有前途的隔膜涂层材料。在碱金属电池的负极侧，带负电荷的纳米片为Li⁺/Na⁺离子通量的有效附着和均匀分布提供了强大的静电相互作用，从而减少了具有不利形貌的Li/Na金属沉积的生长。此外，丰富的Ti空位和纳米厚度为Li⁺/Na⁺阳离子的扩散提供了快速途径。而在碱金属电池的S/Se正极侧，带负电荷的Ti_0.87O₂纳米片具有很高的负电荷密度，通过强烈的静电排斥效应有效地排除了PS阴离子。此外，由于几何条件的限制，尺寸大于Ti空位尺寸的PS阴离子被选择性地排除在外。

3）因此，当应用于Li-S、Li-Se和Na-Se电池时，Ti_0.87O₂涂层隔膜可实现电池的长期循环稳定性。此外，制备的柔性单层Li-S软包电池（6.0 cm×6.5 cm），在不同的弯曲条件下表现出稳定的循环性能，从而显示了Ti_0.87O₂纳米薄片在实际应用中的潜力。

这项工作强调了一种利用具有原子缺陷的2D纳米薄片来实现碱金属电池中阳离子和阴离子迁移的串联控制的策略。

参考文献

Xiong, P., Zhang, F., Zhang, X. et al. Atomic-scale regulation of anionic and cationic migration in alkali metal batteries. Nat Commun 12, 4184 (2021).

DOI：10.1038/s41467-021-24399-9

https://doi.org/10.1038/s41467-021-24399-9