在確保安全運行的同時，改善能源存儲和延長電池壽命的巨大挑戰(zhàn)正變得越來越重要，因為從便攜式設備到電動汽車，我們對這種能源的依賴越來越大。由材料科學與工程助理教授袁洋領導的哥倫比亞大學工程團隊于2019年4月22日宣布，他們已經開發(fā)出一種新的方法，通過植入氮化硼納米涂層來穩(wěn)定鋰金屬電池中的固體電解質，從而安全延長電池壽命，其研究發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《焦耳》上。傳統(tǒng)鋰離子電池目前廣泛應用于日常生活中，但其能量密度較低，導致電池壽命較短。

并且由于電池內部含有高度易燃的液體電解質，可能會短路甚至起火。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：鋰金屬的理論充電容量比石墨高近10倍。但在電鍍鋰的過程中，樹突往往會形成，如果它們穿透電池中間的隔膜，就會造成短路，引發(fā)人們對電池安全的擔憂。研團隊決定專注于固體陶瓷電解質，與傳統(tǒng)的鋰離子電池中的易燃電解質相比，它們在提高安全性和能量密度方面顯示出巨大的潛力。對可充電固態(tài)鋰電池特別感興趣，因為它們是下一代能源存儲的有前景的候選產品，大多數(shù)固體電解質是陶瓷的，因此不易燃，消除了安全隱患。

一種人造氮化硼(BN)薄膜在化學和機械上都能抵抗鋰，它通過電子方式將磷酸鋁鈦鋰(LATP)與鋰隔離，但在被聚氧乙烯(PEO)滲透時仍能提供穩(wěn)定的離子通道，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的循環(huán)。圖片：Qian Cheng/Columbia Engineering此外，固體陶瓷電解質具有較高的機械強度，實際上可以抑制鋰枝晶的生長，使鋰金屬成為電池陽極的涂層選擇。然而，大多數(shù)固體電解質對鋰離子不穩(wěn)定，易被金屬鋰腐蝕，不能用于電池。該論文的第一作者、應用物理和應用數(shù)學學系博士后科學家錢成(音譯)說：鋰金屬對于提高能量密度是不可缺少的，所以我們能夠將它用作固體電解質的陽極至關重要。為了使這些不穩(wěn)定的固體電解質適應實際應用，需要開發(fā)一個化學和機械上穩(wěn)定界面來保護這些固體電解質免受鋰陽極的傷害。

為了運輸鋰離子，界面不僅要具有高度的電子絕緣性，而且還要具有離子導電性，這是至關重要的。此外，該接口必須超薄，以避免降低電池的能量密度。為了應對這些挑戰(zhàn)，該團隊與布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Lab)和紐約城市大學(City University of New York)同事合作。沉積了5~ 10nm的氮化硼(BN)納米膜作為保護層，隔離金屬鋰與離子導體(固態(tài)電解質)之間的電接觸，并加入少量聚合物或液體電解質滲入電極/電解質界面。選擇BN作為保護層，因為它在化學和機械上與金屬鋰穩(wěn)定，提供了高度的電子絕緣。設計氮化硼層具有內在缺陷，鋰離子可以通過它，使它成為一個優(yōu)秀的分離器。

（圖示）左圖顯示接觸到鋰金屬的磷酸鋁鈦鋰(LATP)顆粒會立即被還原，鋰與固體電解質之間嚴重的副反應會使電池在幾個周期內發(fā)生故障。右邊顯示的是一種人造氮化硼薄膜，它在化學和機械上都能抵抗鋰。它通過電子方式將LATP與鋰隔離，但當被聚乙烯氧化物(PEO)滲透時，仍能提供穩(wěn)定的離子通道，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的循環(huán)。圖片：Qian Cheng/Columbia Engineering

此外，化學氣相沉積法制備氮化硼容易形成大尺度(~dm級)、原子薄尺度(~nm級)和連續(xù)薄膜。雖然早期研究使用厚度僅為200微米的聚合物保護層，但新研究厚度僅為5~10納米的BN保護膜在這種保護層極限下仍然很薄，而不會降低電池的能量密度。這是一種完美的材料，可以作為一種屏障，防止金屬鋰侵入固態(tài)電解質。就像防彈背心一樣，開發(fā)了一種針對不穩(wěn)定固體電解質的鋰金屬防彈背心，通過這項創(chuàng)新，實現(xiàn)了長循環(huán)壽命的鋰金屬電池。研究人員目前正在將新方法擴展到不穩(wěn)定固體電解質的廣泛范圍，并進一步優(yōu)化界面，希望制造出高性能、長循環(huán)壽命的固態(tài)電池。