技术生产更持久的锂电池

随着从便携式设备到电动汽车，我们越来越依赖这种能源，在确保安全运行的同时，提高能量储存和延长电池寿命的巨大挑战变得越来越重要。一个由袁阳领导的哥伦比亚工程团队材料科学与工程助理教授，宣布他们已经开发出一种安全延长电池寿命的新方法，通过在锂金属电池中插入纳米氮化硼(BN)涂层来稳定固体电解质。

传统的锂离子(Li-ion)电池目前广泛应用于日常生活中，但由于其能量密度低，导致电池寿命较短，并且由于其内部的液体电解质高度易燃，它们可能会短路甚至起火。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:锂金属的理论容量可以提供的电荷量几乎是石墨的10倍。但在镀锂过程中，经常会形成枝晶，如果它们穿透电池中间的隔膜，就会造成短路，引发人们对电池安全的担忧。

“我们决定专注于固体陶瓷电解质。与传统的、易燃的锂离子电池相比，它们在提高安全性和能量密度方面显示出巨大的希望，”杨说。“我们对可充电固态锂电池特别感兴趣，因为它们是下一代能源存储的有希望的候选者。”

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很高的机械强度，实际上可以抑制锂枝晶的生长，使锂金属成为电池阳极涂层的选择。然而，大多数固体电解质是不稳定的;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必不可少的，因此我们能够将其用作固体电解质的阳极是至关重要的，”应用物理和应用数学系的博士后研究科学家钱成(音)说，他在杨的团队中工作。“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。为了传输锂离子，界面不仅要具有高度的电子绝缘性，而且要具有离子导电性。此外，这个接口必须超薄，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合作。他们沉积了5~10 nm的氮化硼(BN)纳米薄膜作为保护层，以隔离金属锂与离子导体(固体电解质)之间的电接触，同时还有微量的聚合物或液体电解质渗透到电极/电解质界面。他们选择BN作为保护层，因为它在化学和机械上与锂金属稳定，提供高度的电子绝缘。他们设计的氮化硼层具有固有缺陷，锂离子可以通过，使其成为一种优秀的分离器。此外，通过化学气相沉积可以很容易地制备BN，形成大尺度(~dm级)、原子级薄尺度(~nm级)和连续薄膜。

“虽然早期的研究使用厚达200微米的聚合物保护层，但我们的BN保护膜只有5~10纳米厚，是创纪录的薄——这是这种保护层的极限——而不会降低电池的能量密度，”Cheng说。“这是一种完美的材料，可以作为屏障，防止锂金属侵入固体电解质。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’，并通过这项创新实现了长循环寿命的锂金属电池。”

研究人员现在正在将他们的方法扩展到广泛的不稳定固体电解质，并进一步优化界面。他们希望制造出具有高性能和长循环寿命的固态电池。

哥伦比亚大学工程

https://engineering.columbia.edu

- Chris Vavra编辑，制作编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com。查看更多控制工程能源和能源新闻。

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?您应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得您和您的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。