Den stora utmaningen att förbättra energilagring och öka batterilivslängden, samtidigt som man säkerställer säker drift, blir alltmer kritisk när vi blir allt mer beroende av denna energikälla för allt från bärbara enheter till elfordon. Ett Columbia Engineering -team under ledning av Yuan Yang, biträdande professor i materialvetenskap och teknik, meddelade idag att de har utvecklat en ny metod för att säkert förlänga batterilivslängden genom att sätta in en nanobeläggning av bornitrid (BN) för att stabilisera fasta elektrolyter i litiummetallbatterier. Deras resultat beskrivs i en ny studie publicerad av Joule .

Medan konventionella litiumjonbatterier (Li-ion) för närvarande används i stor utsträckning i det dagliga livet, de har låg energitäthet, vilket resulterar i kortare batteritid, och, på grund av den mycket brandfarliga flytande elektrolyten inuti dem, de kan kortsluta och till och med fatta eld. Energitätheten skulle kunna förbättras genom att använda litiummetall för att ersätta den grafitanod som används i litiumjonbatterier:litiummetallens teoretiska kapacitet för mängden laddning den kan leverera är nästan 10 gånger högre än för grafit. Men under litiumplätering, dendriter bildas ofta och om de tränger in i membranseparatorn i mitten av batteriet, de kan skapa kortslutningar, väcker farhågor om batterisäkerhet.

"Vi bestämde oss för att fokusera på solida, keramiska elektrolyter. De visar stort lovande när det gäller att förbättra både säkerhet och energitäthet, jämfört med konventionella, brandfarliga elektrolyter i litiumjonbatterier, " säger Yang. "Vi är särskilt intresserade av laddningsbara solid-state litiumbatterier eftersom de är lovande kandidater för nästa generations energilagring."

De flesta fasta elektrolyter är keramiska, och därför icke brandfarlig, eliminera säkerhetsproblem. Dessutom, fasta keramiska elektrolyter har en hög mekanisk hållfasthet som faktiskt kan undertrycka litiumdendrittillväxt, gör litiummetall till ett beläggningsalternativ för batterianoder. Dock, de flesta fasta elektrolyter är instabila mot Li—de kan lätt korroderas av litiummetall och kan inte användas i batterier.

"Litiummetall är oumbärlig för att öka energitätheten och så det är viktigt att vi kan använda den som anod för fasta elektrolyter, "säger Qian Cheng, tidningens huvudförfattare och en postdoktor vid avdelningen för tillämpad fysik och tillämpad matematik som arbetar i Yangs grupp. "För att anpassa dessa instabila fasta elektrolyter för verkliga tillämpningar, vi behövde utveckla ett kemiskt och mekaniskt stabilt gränssnitt för att skydda dessa fasta elektrolyter mot litiumanoden. Det är viktigt att gränssnittet inte bara är mycket elektroniskt isolerande, men också joniskt ledande för att transportera litiumjoner. Plus, det här gränssnittet måste vara supertunt för att undvika att sänka batteriernas energitäthet."

För att möta dessa utmaningar, teamet arbetade med kollegor vid Brookhaven National Lab och City University of New York. De avsatte 5 ~ 10 nm bornitrid (BN) nanofilm som ett skyddande skikt för att isolera den elektriska kontakten mellan litiummetall och jonledaren (den fasta elektrolyten), tillsammans med en spårmängd polymer eller flytande elektrolyt för att infiltrera elektrod/elektrolytgränsytan. De valde BN som ett skyddande lager eftersom det är kemiskt och mekaniskt stabilt med litiummetall, ger en hög grad av elektronisk isolering. De designade BN-skiktet för att ha inneboende defekter, genom vilka litiumjoner kan passera, så att den fungerar som en utmärkt separator. Dessutom, BN kan lätt framställas genom kemisk ångavsättning för att bilda storskalig (~dm-nivå), atomtunn skala (~ nm -nivå), och kontinuerliga filmer.

"Medan tidigare studier använde polymera skyddsskikt så tjocka som 200 μm, vår BN skyddsfilm, vid endast 5~10 nm tjock, är rekordtunt – vid gränsen för sådana skyddslager – utan att sänka batteriernas energitäthet, " Cheng säger. "Det är det perfekta materialet för att fungera som en barriär som förhindrar invasion av litiummetall till fast elektrolyt. Som en skottsäker väst, vi har utvecklat en litiummetallsäker "väst" för instabila fasta elektrolyter och, med den innovationen, uppnått lång livslängd av litiummetallbatterier."

Forskarna utökar nu sin metod till ett brett spektrum av instabila fasta elektrolyter och optimerar gränssnittet ytterligare. De förväntar sig att tillverka solid-state-batterier med hög prestanda och lång livslängd.