De grote uitdaging om de energieopslag te verbeteren en de levensduur van de batterij te verlengen, terwijl een veilige werking wordt gegarandeerd, wordt steeds belangrijker naarmate we steeds afhankelijker worden van deze energiebron voor alles, van draagbare apparaten tot elektrische voertuigen. Een Columbia Engineering-team onder leiding van Yuan Yang, assistent-professor materiaalkunde en techniek, hebben vandaag aangekondigd dat ze een nieuwe methode hebben ontwikkeld om de levensduur van batterijen veilig te verlengen door een nano-coating van boornitride (BN) aan te brengen om vaste elektrolyten in lithium-metaalbatterijen te stabiliseren. Hun bevindingen worden uiteengezet in een nieuwe studie gepubliceerd door Joule .

Terwijl conventionele lithium-ionbatterijen (Li-ion) momenteel veel worden gebruikt in het dagelijks leven, ze hebben een lage energiedichtheid, wat resulteert in een kortere levensduur van de batterij, en, vanwege de licht ontvlambare vloeibare elektrolyt erin, ze kunnen kortsluiten en zelfs vlam vatten. De energiedichtheid kan worden verbeterd door lithiummetaal te gebruiken ter vervanging van de grafietanode die wordt gebruikt in Li-ionbatterijen:de theoretische capaciteit van lithiummetaal voor de hoeveelheid lading die het kan leveren is bijna 10 keer hoger dan die van grafiet. Maar tijdens lithiumplating, dendrieten vormen zich vaak en als ze de membraanscheider in het midden van de batterij binnendringen, ze kunnen kortsluitingen veroorzaken, zorgen over de veiligheid van batterijen.

"We hebben besloten om ons te concentreren op solide, keramische elektrolyten. Ze zijn veelbelovend in het verbeteren van zowel de veiligheid als de energiedichtheid, in vergelijking met conventionele, ontvlambare elektrolyten in Li-ion batterijen, ", zegt Yang. "We zijn vooral geïnteresseerd in oplaadbare solid-state lithiumbatterijen omdat ze veelbelovende kandidaten zijn voor energieopslag van de volgende generatie."

De meeste vaste elektrolyten zijn keramiek, en dus onbrandbaar, veiligheidsproblemen wegnemen. In aanvulling, vaste keramische elektrolyten hebben een hoge mechanische sterkte die de groei van lithiumdendrieten daadwerkelijk kan onderdrukken, lithiummetaal een coatingoptie maken voor batterijanoden. Echter, de meeste vaste elektrolyten zijn onstabiel tegen Li - ze kunnen gemakkelijk worden gecorrodeerd door lithiummetaal en kunnen niet in batterijen worden gebruikt.

"Lithiummetaal is onmisbaar voor het verbeteren van de energiedichtheid en daarom is het van cruciaal belang dat we het kunnen gebruiken als anode voor vaste elektrolyten, " zegt Qian Cheng, de hoofdauteur van het artikel en een postdoctoraal onderzoeker in de afdeling toegepaste natuurkunde en toegepaste wiskunde die in de groep van Yang werkt. "Om deze onstabiele vaste elektrolyten aan te passen voor real-life toepassingen, we moesten een chemisch en mechanisch stabiel grensvlak ontwikkelen om deze vaste elektrolyten te beschermen tegen de lithiumanode. Het is essentieel dat de interface niet alleen zeer elektronisch isolerend is, maar ook ionisch geleidend om lithiumionen te transporteren. Plus, deze interface moet superdun zijn om te voorkomen dat de energiedichtheid van batterijen wordt verlaagd."

Om deze uitdagingen aan te gaan, het team werkte samen met collega's van Brookhaven National Lab en de City University van New York. Ze zetten 5 ~ 10 nm boornitride (BN) nanofilm af als een beschermende laag om het elektrische contact tussen lithiummetaal en de ionische geleider (de vaste elektrolyt) te isoleren, samen met een sporenhoeveelheid polymeer of vloeibaar elektrolyt om het elektrode/elektrolyt-interface te infiltreren. Ze kozen voor BN als beschermende laag omdat het chemisch en mechanisch stabiel is met lithiummetaal, het verstrekken van een hoge mate van elektronische isolatie. Ze ontwierpen de BN-laag om intrinsieke defecten te hebben, waardoor lithiumionen kunnen passeren, waardoor het als een uitstekende afscheider kan dienen. In aanvulling, BN kan gemakkelijk worden bereid door chemische dampafzetting om grootschalige (~ dm-niveau) te vormen, atomair dunne schaal (~nm niveau), en doorlopende films.

"Terwijl eerdere studies polymere beschermingslagen gebruikten met een dikte tot 200 m, onze BN-beschermfolie, met een dikte van slechts 5~10 nm, is recorddun - op de limiet van dergelijke beschermingslagen - zonder de energiedichtheid van batterijen te verlagen, "zegt Cheng. "Het is het perfecte materiaal om te functioneren als een barrière die de invasie van lithiummetaal naar vast elektrolyt voorkomt. Als een kogelvrij vest, we hebben een lithium-metaalbestendig 'vest' ontwikkeld voor onstabiele vaste elektrolyten en, met die innovatie, hebben lithium-metaalbatterijen met een lange levensduur bereikt."

De onderzoekers breiden hun methode nu uit naar een breed scala aan onstabiele vaste elektrolyten en optimaliseren de interface verder. Ze verwachten solid-state batterijen te fabriceren met hoge prestaties en een lange levensduur.