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研究人員開發出一種新方法，透過插入氮鐵（BN）的奈米塗層來穩定鋰金屬電池中的固體電解質，從而安全地延長電池壽命。該團隊專注於固體陶瓷電解質，與鋰離子電池中傳統的易燃電解質相比，這些電解質在提高安全性和能量密度方面顯示出優勢。可充電固態鋰電池是下一代儲能電池的候選產品。
隨著我們越來越依賴這種新能源，從行動式裝置到電動汽車，改善儲能和提高電池壽命，同時確保安全執行，這一重大挑戰變得越來越重要。由材料科學與工程助理教授袁陽領導的哥倫比亞工程隊今天宣佈，他們開發出一種安全延長電池壽命的新方法，插入氮鐵（BN）奈米塗層，以穩定鋰金屬電池中的固體電解質。
雖然傳統的鋰離子電池目前在日常生活中被廣泛使用，但它們的能量密度較低，導致電池壽命縮短，而且由於電池內有高度易燃的液體電解質，它們可能會短路，甚至著火。利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：鋰金屬的理論容量比石墨高近10倍。但在鋰電鍍過程中，樹突通常會形成，如果樹突穿透電池中間的膜分離器，它們可能會產生短路，引起對電池安全性的擔憂。
“我們決定專注於固體陶瓷電解質。與鋰離子電池中傳統的易燃電解質相比，它們在提高安全性和能量密度方面顯示出了很大的希望。”我們對可充電固態鋰電池特別感興趣，因為它們是下一代儲能的有前途的候選產品。
大多數固體電解質是陶瓷，因此不易燃，消除了安全問題。此外，固體陶瓷電解質具有高機械強度，實際上可以抑制鋰樹突的生長，使鋰金屬成為電池陽極的塗層選擇。然而，大多數固體電解質對Li的不穩定——它們很容易被鋰金屬腐蝕，不能用於電池。
論文的主要作者、應用物理和應用數學系博士後研究科學家錢成說“鋰金屬對於提高能量密度是必不可少的，因此，我們能夠把它作為固體電解質的陽極是至關重的”。“為了使這些不穩定的固體電解質適應實際應用，我們需要開發一種化學和機械穩定的介面，以保護這些固體電解質免受鋰陽極的汙染。為了傳輸鋰離子，該介面不僅具有高度電子絕緣性，而且具有電離傳導性。此外，此介面必須超薄，以避免降低電池的能量密度。
為了應對這些挑戰，該團隊與布魯克黑文國家實驗室和紐約城市大學的同事合作。它們沉積了5~10奈米氮化（BN）奈米薄膜作為保護層，以分離鋰金屬與離子導體（固體電解質）之間的電接觸，以及微量聚合物或液體電解質，以滲透到電極/電解質介面。他們選擇BN作為保護層，因為它在化學和機械上穩定鋰金屬，提供高度的電子絕緣。他們設計的BN層具有內在缺陷，鋰離子可以透過它，使其能夠作為一個優秀的分離器。此外，BN 可以透過化學氣相沉積輕鬆準備，形成大規模（\dm 水平）、原子薄型（\nm 水平）和連續薄膜。
”雖然早期的研究使用了200 0毫米厚的聚合物保護層，但我們的BN保護膜厚度只有5~10奈米，在此類保護層的極限，在不降低電池能量密度的情況下，是記錄薄的。“它是防止鋰金屬進入固體電解質的完美材料。與防彈背心一樣，我們開發了用於不穩定固體電解質的鋰金屬防”背心“，透過這一創新，實現了長迴圈壽命鋰金屬電池。
研究人員正在擴充套件他們的方法，以廣泛的不穩定的固體電解質，並進一步最佳化介面。他們期望製造具有高效能和長週期壽命的固態電池。
