在確保安全運行的同時，改善能源存儲和延長電池壽命的巨大挑戰正變得越來越重要，因為從便攜式設備到電動汽車，我們對這種能源的依賴越來越大。由材料科學與工程助理教授袁洋領導的哥倫比亞大學工程團隊于2019年4月22日宣布，他們已經開發出一種新的方法，通過植入氮化硼納米涂層來穩定鋰金屬電池中的固體電解質，從而安全延長電池壽命，其研究發現發表在《焦耳》上。傳統鋰離子電池目前廣泛應用于日常生活中，但其能量密度較低，導致電池壽命較短。


并且由于電池內部含有高度易燃的液體電解質，可能會短路甚至起火。用鋰金屬代替鋰離子電池中使用的石墨陽極，可以提高能量密度：鋰金屬的理論充電容量比石墨高近10倍。但在電鍍鋰的過程中，樹突往往會形成，如果它們穿透電池中間的隔膜，就會造成短路，引發人們對電池安全的擔憂。研團隊決定專注于固體陶瓷電解質，與傳統的鋰離子電池中的易燃電解質相比，它們在提高安全性和能量密度方面顯示出巨大的潛力。對可充電固態鋰電池特別感興趣，因為它們是下一代能源存儲的有前景的候選產品，大多數固體電解質是陶瓷的，因此不易燃，消除了安全隱患。


一種人造氮化硼(BN)薄膜在化學和機械上都能抵抗鋰，它通過電子方式將磷酸鋁鈦鋰(LATP)與鋰隔離，但在被聚氧乙烯(PEO)滲透時仍能提供穩定的離子通道，從而實現穩定的循環。圖片：Qian Cheng/Columbia Engineering此外，固體陶瓷電解質具有較高的機械強度，實際上可以抑制鋰枝晶的生長，使鋰金屬成為電池陽極的涂層選擇。然而，大多數固體電解質對鋰離子不穩定，易被金屬鋰腐蝕，不能用于電池。該論文的第一作者、應用物理和應用數學學系博士后科學家錢成(音譯)說：鋰金屬對于提高能量密度是不可缺少的，所以我們能夠將它用作固體電解質的陽極至關重要。為了使這些不穩定的固體電解質適應實際應用，需要開發一個化學和機械上穩定界面來保護這些固體電解質免受鋰陽極的傷害。

為了運輸鋰離子，界面不僅要具有高度的電子絕緣性，而且還要具有離子導電性，這是至關重要的。此外，該接口必須超薄，以避免降低電池的能量密度。為了應對這些挑戰，該團隊與布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Lab)和紐約城市大學(City University of New York)同事合作。沉積了5~ 10nm的氮化硼(BN)納米膜作為保護層，隔離金屬鋰與離子導體(固態電解質)之間的電接觸，并加入少量聚合物或液體電解質滲入電極/電解質界面。選擇BN作為保護層，因為它在化學和機械上與金屬鋰穩定，提供了高度的電子絕緣。設計氮化硼層具有內在缺陷，鋰離子可以通過它，使它成為一個優秀的分離器。


（圖示）左圖顯示接觸到鋰金屬的磷酸鋁鈦鋰(LATP)顆粒會立即被還原，鋰與固體電解質之間嚴重的副反應會使電池在幾個周期內發生故障。右邊顯示的是一種人造氮化硼薄膜，它在化學和機械上都能抵抗鋰。它通過電子方式將LATP與鋰隔離，但當被聚乙烯氧化物(PEO)滲透時，仍能提供穩定的離子通道，從而實現穩定的循環。圖片：Qian Cheng/Columbia Engineering

此外，化學氣相沉積法制備氮化硼容易形成大尺度(~dm級)、原子薄尺度(~nm級)和連續薄膜。雖然早期研究使用厚度僅為200微米的聚合物保護層，但新研究厚度僅為5~10納米的BN保護膜在這種保護層極限下仍然很薄，而不會降低電池的能量密度。這是一種完美的材料，可以作為一種屏障，防止金屬鋰侵入固態電解質。就像防彈背心一樣，開發了一種針對不穩定固體電解質的鋰金屬防彈背心，通過這項創新，實現了長循環壽命的鋰金屬電池。研究人員目前正在將新方法擴展到不穩定固體電解質的廣泛范圍，并進一步優化界面，希望制造出高性能、長循環壽命的固態電池。

博科園-科學科普｜研究/來自: 哥倫比亞大學工程與應用科學學院參考期刊文獻:《Joule》DOI: 10.1016/j.joule.2019.03.022博科園-傳遞宇宙科學之美