Команда Колумбии использует нано нитрид бора

Команда инженеров Колумбийского университета под руководством Юаня Янга, доцента кафедры материаловедения и инженерии, разработала новый метод безопасного продления срока службы батарей путем введения нанопокрытия из нитрида бора (BN) для стабилизации твердых электролитов в литий-металлических батареях. Их результаты изложены в новом исследовании, опубликованном в журнале Joule.

В сочетании с полимерным электролитом ПЭО размером ~1–2 мкм на границе раздела Li/BN симметричные элементы Li/Li демонстрируют срок службы более 500 часов при токе 0,3 мА·см-2. Напротив, та же конфигурация с голым литий-алюминиево-титановым фосфатом (LATP) умирает через 81 час. Твердотельные батареи LiFePO4/LATP/BN/PEO/Li демонстрируют высокую степень сохранения емкости – 96,6% после 500 циклов.

Схема механизма защиты нитрида бора (BN) и характеристики нанопленки BN. На левом изображении показано, что таблетка литий-алюминий-титан-фосфата (LATP), соприкасающаяся с металлическим литием, немедленно сокращается. Серьезная побочная реакция между литием и твердым электролитом приведет к выходу батареи из строя за несколько циклов. Справа показано, что искусственная пленка BN химически и механически устойчива к литию. Он электронно изолирует LATP от лития, но при этом обеспечивает стабильные ионные пути при проникновении полиэтиленоксида (ПЭО) и, таким образом, обеспечивает стабильный цикл. Фото: Цянь Ченг/Колумбия Инжиниринг.

Обычные литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы имеют низкую плотность энергии, что приводит к сокращению срока их службы, а из-за легковоспламеняющегося жидкого электролита внутри них они могут замкнуться накоротко и даже загореться.

Плотность энергии можно повысить, используя металлический литий вместо графитового анода, используемого в литий-ионных батареях; Теоретическая емкость металлического лития по количеству заряда, который он может доставить, почти в 10 раз выше, чем у графита. Но во время нанесения литиевого покрытия часто образуются дендриты, и если они проникают через мембранный сепаратор в середине батареи, они могут вызвать короткое замыкание, что вызывает опасения по поводу безопасности батареи.

Мы решили сосредоточиться на твердых керамических электролитах. Они демонстрируют большие перспективы в повышении безопасности и плотности энергии по сравнению с обычными легковоспламеняющимися электролитами в литий-ионных батареях. Мы особенно заинтересованы в перезаряжаемых твердотельных литиевых батареях, поскольку они являются многообещающими кандидатами для хранения энергии следующего поколения.

Большинство твердых электролитов являются керамическими и, следовательно, негорючими, что исключает проблемы безопасности. Кроме того, твердые керамические электролиты обладают высокой механической прочностью, которая может фактически подавлять рост дендритов лития, что делает металлический литий вариантом покрытия для анодов аккумуляторов. Однако большинство твердых электролитов неустойчивы по отношению к литию: их легко разъедать металлическим литием, и их нельзя использовать в батареях.

Металлический литий незаменим для повышения плотности энергии, поэтому очень важно иметь возможность использовать его в качестве анода для твердых электролитов. Чтобы адаптировать эти нестабильные твердые электролиты для реальных применений, нам необходимо было разработать химически и механически стабильный интерфейс для защиты этих твердых электролитов от литиевого анода. Очень важно, чтобы интерфейс был не только электроизолирующим, но и ионнопроводящим для транспортировки ионов лития. Кроме того, этот интерфейс должен быть сверхтонким, чтобы избежать снижения плотности энергии батарей.

Чтобы решить эти проблемы, команда работала с коллегами из Брукхейвенской национальной лаборатории и Городского университета Нью-Йорка. Они нанесли нанопленку нитрида бора (BN) толщиной 5–10 нм в качестве защитного слоя для изоляции электрического контакта между металлическим литием и ионным проводником (твердым электролитом), а также небольшое количество полимера или жидкого электролита для проникновения в электрод. /электролитный интерфейс. Они выбрали BN в качестве защитного слоя, поскольку он химически и механически стабилен с металлическим литием, обеспечивая высокую степень электронной изоляции.

Они спроектировали слой BN так, чтобы он имел внутренние дефекты, через которые могут проходить ионы лития, что позволяет ему служить отличным сепаратором. Кроме того, BN можно легко получить методом химического осаждения из паровой фазы для формирования крупномасштабных (уровень ~ дм), атомно-тонких (уровень ~ нм) и непрерывных пленок.