Ny teknik producerer længerevarende lithiumbatterier

Den store udfordring at forbedre energilagring og øge batterilevetiden, og samtidig sikre sikker drift, bliver stadig mere kritisk, efterhånden som vi bliver mere og mere afhængige af denne energikilde til alt fra bærbare enheder til elektriske køretøjer. Et Columbia Engineering-team ledet af Yuan Yang, assisterende professor i materialevidenskab og teknik, meddelte i dag, at de har udviklet en ny metode til sikker forlængelse af batteriets levetid ved at indsætte en nano-belægning af bornitrid (BN) for at stabilisere faste elektrolytter i lithiummetalbatterier. Deres resultater er beskrevet i en ny undersøgelse offentliggjort af Joule .

Mens konventionelle lithium-ion (Li-ion) batterier i øjeblikket er meget udbredt i det daglige liv, de har lav energitæthed, hvilket resulterer i kortere batterilevetid, og, på grund af den meget brandfarlige flydende elektrolyt inde i dem, de kan kortslutte og endda gå i brand. Energitætheden kan forbedres ved at bruge lithiummetal til at erstatte den grafitanode, der bruges i Li-ion-batterier:lithiummetals teoretiske kapacitet for den mængde ladning, den kan levere, er næsten 10 gange højere end grafit. Men under lithiumplettering, dendritter dannes ofte, og hvis de trænger ind i membranseparatoren i midten af ​​batteriet, de kan skabe kortslutninger, skabe bekymring for batterisikkerhed.

"Vi besluttede at fokusere på solide, keramiske elektrolytter. De viser et stort løfte om at forbedre både sikkerhed og energitæthed, sammenlignet med konventionelle, brandfarlige elektrolytter i Li-ion batterier, "siger Yang." Vi er især interesserede i genopladelige solid-state lithium-batterier, fordi de er lovende kandidater til næste generations energilagring. "

De fleste faste elektrolytter er keramiske, og derfor ikke brændbar, fjerne sikkerhedsproblemer. Ud over, solide keramiske elektrolytter har en høj mekanisk styrke, der faktisk kan undertrykke lithiumdendritvækst, gør lithiummetal til en belægningsmulighed for batterianoder. Imidlertid, de fleste faste elektrolytter er ustabile mod Li - de kan let tæres af litiummetal og kan ikke bruges i batterier.

"Litiummetal er uundværligt for at øge energitætheden, og derfor er det afgørende, at vi kan bruge det som anode for faste elektrolytter, " siger Qian Cheng, papirets hovedforfatter og en postdoktoral forsker i afdelingen for anvendt fysik og anvendt matematik, der arbejder i Yangs gruppe. "For at tilpasse disse ustabile solide elektrolytter til virkelige applikationer, vi havde brug for at udvikle en kemisk og mekanisk stabil grænseflade for at beskytte disse faste elektrolytter mod lithiumanoden. Det er vigtigt, at grænsefladen ikke kun er stærkt elektronisk isolerende, men også ionisk ledende for at transportere lithiumioner. Plus, denne grænseflade skal være supertynd for at undgå at sænke batteriernes energitæthed."

For at løse disse udfordringer, teamet arbejdede sammen med kolleger på Brookhaven National Lab og City University of New York. De afsatte 5 ~ 10 nm bornitrid (BN) nanofilm som et beskyttende lag for at isolere den elektriske kontakt mellem lithiummetal og den ioniske leder (den faste elektrolyt), sammen med en spormængde af polymer eller flydende elektrolyt for at infiltrere elektrode/elektrolytgrænsefladen. De valgte BN som et beskyttende lag, fordi det er kemisk og mekanisk stabilt med lithiummetal, giver en høj grad af elektronisk isolering. De designede BN-laget til at have iboende defekter, hvorigennem litiumioner kan passere, tillader det at fungere som en fremragende separator. Ud over, BN kan let fremstilles ved kemisk dampaflejring for at danne storskala (~dm niveau), atomisk tynd skala (~nm niveau), og kontinuerlige film.

"Mens tidligere undersøgelser brugte polymere beskyttelseslag så tykke som 200 μm, vores BN beskyttelsesfilm, ved kun 5~10 nm tyk, er rekordtynd-ved grænsen for sådanne beskyttelseslag-uden at sænke batteriets energitæthed, " Cheng siger. "Det er det perfekte materiale til at fungere som en barriere, der forhindrer invasion af lithiummetal til fast elektrolyt. Som en skudsikker vest, vi har udviklet en lithium-metal-sikker 'vest' til ustabile faste elektrolytter og, med den innovation, opnået lang cyklisk levetid lithiummetalbatterier."

Forskerne udvider nu deres metode til en bred vifte af ustabile faste elektrolytter og optimerer grænsefladen yderligere. De forventer at fremstille solid-state batterier med høj ydeevne og lang levetid.