新技术生产更耐用的NEC锂电池

新技术生产更耐用的锂电池

人造氮化硼 (BN) 薄膜在化学和机械方面对锂具有很强的抵抗力。它以电子方式将磷酸铝锂（LATP）与锂隔离，但在被聚环氧乙烷（PEO）渗透时仍然提供稳定的离子通道，从而实现稳定的循环。

随着我们从便携式设备到电动汽车等各种能源越来越依赖这种能源，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 Yuan Yang 领导的哥伦比亚大学工程团队今天宣布，他们开发出了一种安全延长电池寿命的新方法，通过插入氮化硼 (BN) 纳米涂层来稳定锂金属中的固体电解质电池。《焦耳》发表的一项新研究概述了他们的发现。

 

虽然传统的锂离子电池目前在日常生活中广泛使用，但其能量密度较低，导致电池寿命较短，而且由于其内部的液体电解质高度易燃，可能会导致短路甚至起火。 。使用锂金属替代锂离子电池中使用的石墨阳极可以提高能量密度：锂金属的理论充电量几乎是石墨的10倍。但在锂电镀过程中，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。与锂离子电池中的传统易燃电解质相比，它们在提高安全性和能量密度方面显示出巨大的前景，”杨说。“我们对可充电固态锂电池特别感兴趣，因为它们是下一代储能的有希望的候选者。”

大多数固体电解质都是陶瓷的，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的生长，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锂不稳定——它们很容易被锂金属腐蚀，不能用于电池。
 

磷酸铝钛锂 (LATP) 颗粒接触锂金属后会立即被还原。锂和固体电解质之间严重的副反应将使电池在几个循环后失效。右图显示人造 BN 薄膜在化学和机械性能上对锂具有鲁棒性。它以电子方式将 LATP 与锂隔离，但在被聚环氧乙烷 (PEO) 渗透时仍然提供稳定的离子通道，从而实现稳定的循环。图片来源：Qian Cheng/哥伦比亚工程公司

 

“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、应用物理和应用数学系的博士后研究科学家钱程说。在杨组工作的人。“为了使这些不稳定的固体电解质适应现实生活中的应用，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，界面不仅必须具有高度的电子绝缘性，而且还必须具有离子导电性。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市立大学的同事合作。他们沉积了5~10 nm的氮化硼（BN）纳米薄膜作为保护层，以隔离锂金属和离子导体（固体电解质）之间的电接触，同时微量的聚合物或液体电解质渗透到电极中/电解质界面。他们选择 BN 作为保护层，因为它对锂金属具有化学和机械稳定性，可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，从而使其成为出色的隔膜。此外，BN可以通过化学气相沉积很容易地制备成大尺寸（~dm级）、原子薄尺度（~nm级）、

“虽然早期研究使用的聚合物保护层厚度为 200 μm，但我们的 BN 保护膜厚度仅为 5~10 nm，在这种保护层的极限下是创纪录的薄度，而且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完美材料。就像防弹背心一样，我们开发了一种针对不稳定固体电解质的锂金属防弹“背心”，并通过这一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。他们期望制造具有高性能和长循环寿命的固态电池。
 

据称，这种“20层电池”的体积能量密度可达540 Wh/l，重量能量密度超过400 Wh/kg，并且通过使用低可燃性电解质提高了安全性。与其第二代电池相比，GEN3电池具有主要优势，包括由于使用了低孔隙率的阴极材料，体积能量密度增加了45%。

与目前的锂离子电池相比，这种新电池也有较多优势。据悉，其重量能量密度几乎是锂离子电池的两倍，体积能量密度与锂离子电池相当。Li-S Energy表示，这意味着，在相同体积下，“20层电池”的重量只有锂电的一半。

据悉，“20层电池”使用了Li-S Energy的专利技术Li-nanomesh，并将氮化硼纳米管（bnnt）纳入电池结构中，以减少枝晶生长，提高安全性和循环寿命。测试电池在1000次充放电循环中表现出持续的性能，同时保持比容量几乎是典型锂离子电池的三倍。