在確保安全運(yùn)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?yàn)閺谋銛y式設(shè)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(xué)與工程助理教授袁洋領(lǐng)導(dǎo)的哥倫比亞大學(xué)工程團(tuán)隊于2019年4月22日宣布，他們已經(jīng)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(zhì)，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(yīng)用于日常生活中，但其能量密度較低，導(dǎo)致電池壽命較短。

并且由于電池內(nèi)部含有高度易燃的液體電解質(zhì)，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(dān)憂。研團(tuán)隊決定專注于固體陶瓷電解質(zhì)，與傳統(tǒng)的鋰離子電池中的易燃電解質(zhì)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?yàn)樗鼈兪窍乱淮茉创鎯Φ挠星熬暗暮蜻x產(chǎn)品，大多數(shù)固體電解質(zhì)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(xué)和機(jī)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的循環(huán)。圖片：QianCheng/ColumbiaEngineering此外，固體陶瓷電解質(zhì)具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，實(shí)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(zhì)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(yīng)用物理和應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)系博士后科學(xué)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?qū)⑺米鞴腆w電解質(zhì)的陽極至關(guān)重要。為了使這些不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用，需要開發(fā)一個化學(xué)和機(jī)械上穩(wěn)定界面來保護(hù)這些固體電解質(zhì)免受鋰陽極的傷害。

為了運(yùn)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(dǎo)電性，這是至關(guān)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(yīng)對這些挑戰(zhàn)，該團(tuán)隊與布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室(BrookhavenNationalLab)和紐約城市大學(xué)(CityUniversityofNewYork)同事合作。沉積了5~10nm的氮化硼(BN)納米膜作為保護(hù)層，隔離金屬鋰與離子導(dǎo)體(固態(tài)電解質(zhì))之間的電接觸，并加入少量聚合物或液體電解質(zhì)滲入電極/電解質(zhì)界面。選擇BN作為保護(hù)層，因?yàn)樗诨瘜W(xué)和機(jī)械上與金屬鋰穩(wěn)定，提供了高度的電子絕緣。設(shè)計氮化硼層具有內(nèi)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(zhì)之間嚴(yán)重的副反應(yīng)會使電池在幾個周期內(nèi)發(fā)生故障。右邊顯示的是一種人造氮化硼薄膜，它在化學(xué)和機(jī)械上都能抵抗鋰。它通過電子方式將LATP與鋰隔離，但當(dāng)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的循環(huán)。圖片：QianCheng/ColumbiaEngineering

此外，化學(xué)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(hù)層，但新研究厚度僅為5~10納米的BN保護(hù)膜在這種保護(hù)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(zhì)。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(zhì)的鋰金屬防彈背心，通過這項(xiàng)創(chuàng)新，實(shí)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(kuò)展到不穩(wěn)定固體電解質(zhì)的廣泛范圍，并進(jìn)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。