更耐用的锂电池

时间：2020-06-12

更耐用的锂电池

废旧锂电池回收随着我们越来越依赖于各种便携式设备以及电动车辆，改善能量存储和延长电池寿命，同时确保安全运行变得越来越重要。由材料科学与工程助理教授YuanYang**的哥伦比亚工程团队今天宣布，他们开发了一种新方法，通过在锂金属电池中插入氮化硼纳米涂层来稳定固体电解质，从而安全地延长电池寿命电池。他们的研究结果在Joule发表的一项新研究中得到了概述。

虽然常规锂离子电池目前在日常生活中被广泛使用，但是它们的能量密度较低，导致电池寿命较短，并且由于它们内部的高度易燃的液体电解质，它们会短路甚至着火。用锂金属代替锂离子电池中使用的石墨阳极可以提高能量密度:锂金属的理论电荷容量几乎是石墨的10倍。但是在锂镀覆过程中，往往会形成枝晶，如果枝晶穿透电池中间的隔膜，会造成短路，从而引发对电池安全的担忧。

“我们决定专注于固体陶瓷电解质。与锂离子电池中的常规可燃电解质相比，它们在提高安全性和能量密度方面显示出巨大潜力，”Yang说。“我们对可充电固态锂电池特别感兴趣，因为它们是下一代储能的理想选择。”

大多数固体电解质是陶瓷，因此不易燃，消除了安全问题。此外，固体陶瓷电解质具有高机械强度，实际上可以抑制锂枝晶生长，使锂金属成为电池阳极的涂层选择。然而，大多数固体电解质对Li不稳定，它们容易被锂金属腐蚀并且不能用于电池中。

“锂金属对于提高能量密度是不可或缺的，因此我们能够将其用作固体电解质的阳极至关重要，”该论文的主要作者，应用物理与应用数学系的博士后研究科学家QianCheng说。“为了使这些不稳定的固体电解质适应实际应用，我们需要开发一种化学和机械稳定的界面，以保护这些固体电解质免受锂阳极的影响。界面不仅必须是高度电子绝缘的，还必须是离子导电的。为了输送锂离子，另外，这个界面必须**薄，以避免降低电池的能量密度。”

为了应对这些挑战，该团队与布鲁克海文国家实验室和纽约城市大学的同事一起工作。他们沉积5~10nm氮化硼（BN）纳米薄膜作为保护层，以隔离锂金属与离子导体（固体电解质）之间的电接触，以及微量的聚合物或液体电解质渗透电极/电解质界面。他们选择BN作为保护层，因为它与锂金属在化学和机械上是稳定的，提供高度的电子绝缘。他们设计的BN层具有固有缺陷，锂离子可以通过该缺陷，使其成为一个优秀的分离器。此外，BN可以通过化学气相沉积容易地制备，以形成大规模（~dm水平），原子级薄（~nm水平）和连续薄膜。

“虽然早期的研究使用厚度为200微米的聚合物保护层，但我们的厚度仅为5~10纳米的BN保护膜在这种保护层的极限下仍然很薄，因此不会降低电池的能量密度，”Cheng说。“它是防止锂金属侵入固体电解质的屏障的**材料。就像防弹背心一样，我们为不稳定的固体电解质开发了一种防锂金属'背心'，并凭借这一创新，实现了**命的锂金属电池。“

研究人员现在将他们的方法扩展到各种不稳定的固体电解质，并进一步优化界面。他们希望制造具有高性能和长周期寿命的固态电池。

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