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新技术可生产出更耐用的锂电池

发布时间:2019-05-16 16:25:14 来源:

随着我们越来越依赖于从便携式设备到电动车辆的各种能源,改善能量存储和延长电池寿命,同时确保安全运行的巨大挑战变得越来越重要。由材料科学与工程助理教授袁洋领导的哥伦比亚工程团队今天宣布,他们开发了一种新方法,通过插入纳米氮化硼(BN)涂层来稳定锂金属中的固体电解质,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。

虽然传统的锂离子(Li-ion)电池目前在日常生活中被广泛使用,但它们具有低能量密度,导致电池寿命缩短,并且由于其内部的高度易燃液体电解质,它们可能短路甚至着火。通过使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:锂金属对其可以提供的电荷量的理论容量几乎是石墨的10倍。但是在锂电镀过程中,枝晶经常形成,如果它们穿透电池中间的膜分离器,它们会产生短路,引起对电池安全性的担忧。

“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。但是,大多数固体电解质对锂不稳定 - 它们很容易被锂金属腐蚀,不能用于电池。

“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钱程说。谁在杨的小组工作。“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,这个界面必须超薄,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5~10 nm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,形成大规模(~dm水平),原子级薄(~nm水平),

“虽然早期的研究使用厚度仅为200?m的聚合物保护层,我们的BN保护膜厚度只有5~10 nm,在这种保护层的极限下仍然很薄 - 而不会降低电池的能量密度,“程说。“它是防止锂金属侵入固体电解质的屏障的完美材料。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,实现了长寿命的锂金属电池。“

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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