El equipo de Columbia utiliza nitruro de boro nano

Un equipo de Columbia Engineering dirigido por Yuan Yang, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales, ha desarrollado un nuevo método para prolongar de forma segura la vida útil de la batería mediante la inserción de una nanocapa de nitruro de boro (BN) para estabilizar electrolitos sólidos en baterías de metal de litio. Sus hallazgos se describen en un nuevo estudio publicado en Joule.

Cuando se combinan con electrolito de polímero de PEO de ∼1–2 μm en la interfaz Li/BN, las celdas simétricas Li/Li muestran un ciclo de vida de más de 500 horas a 0,3 mA·cm−2. Por el contrario, la misma configuración con fosfato de litio, aluminio y titanio (LATP) muere después de 81 horas. Las baterías de estado sólido LiFePO4/LATP/BN/PEO/Li muestran una retención de alta capacidad del 96,6 % después de 500 ciclos.

Esquemas del mecanismo de protección del nitruro de boro (BN) y caracterizaciones del nanofilm de BN. La imagen de la izquierda muestra que una pastilla de fosfato de litio, aluminio y titanio (LATP) que toca el litio metálico se reducirá inmediatamente. La severa reacción secundaria entre el litio y el electrolito sólido hará que la batería falle en varios ciclos. La derecha muestra que una película de BN artificial es química y mecánicamente resistente al litio. Aísla electrónicamente LATP del litio, pero aún proporciona vías iónicas estables cuando se infiltra con óxido de polietileno (PEO) y, por lo tanto, permite un ciclo estable. Crédito: Qian Cheng/Columbia Engineering.

Las baterías de iones de litio (Li-ion) convencionales tienen una baja densidad de energía, lo que reduce la vida útil de la batería y, debido al electrolito líquido altamente inflamable que contienen, pueden sufrir un cortocircuito e incluso incendiarse.

La densidad de energía podría mejorarse mediante el uso de metal de litio para reemplazar el ánodo de grafito utilizado en las baterías de iones de litio; La capacidad teórica del litio metálico para la cantidad de carga que puede entregar es casi 10 veces mayor que la del grafito. Pero durante el recubrimiento con litio, a menudo se forman dendritas y, si penetran en el separador de membrana en el medio de la batería, pueden crear cortocircuitos, lo que genera preocupaciones sobre la seguridad de la batería.

Decidimos centrarnos en electrolitos cerámicos sólidos. Muestran una gran promesa para mejorar tanto la seguridad como la densidad de energía, en comparación con los electrolitos inflamables convencionales en las baterías de iones de litio. Estamos particularmente interesados ​​en las baterías de litio de estado sólido recargables porque son candidatas prometedoras para el almacenamiento de energía de próxima generación.

La mayoría de los electrolitos sólidos son cerámicos y, por lo tanto, no inflamables, lo que elimina los problemas de seguridad. Además, los electrolitos cerámicos sólidos tienen una alta resistencia mecánica que en realidad puede suprimir el crecimiento de dendritas de litio, lo que hace que el metal de litio sea una opción de recubrimiento para los ánodos de las baterías. Sin embargo, la mayoría de los electrolitos sólidos son inestables frente al litio: el litio metálico puede corroerlos fácilmente y no se pueden usar en baterías.

El metal de litio es indispensable para mejorar la densidad de energía, por lo que es fundamental que podamos usarlo como ánodo para electrolitos sólidos. Para adaptar estos electrolitos sólidos inestables para aplicaciones de la vida real, necesitábamos desarrollar una interfaz química y mecánicamente estable para proteger estos electrolitos sólidos contra el ánodo de litio. Es esencial que la interfaz no solo sea altamente aislante electrónicamente, sino también conductora de iones para transportar iones de litio. Además, esta interfaz tiene que ser súper delgada para evitar reducir la densidad de energía de las baterías.

Para abordar estos desafíos, el equipo trabajó con colegas del Laboratorio Nacional de Brookhaven y la Universidad de la Ciudad de Nueva York. Depositaron una nanopelícula de nitruro de boro (BN) de 5 a 10 nm como capa protectora para aislar el contacto eléctrico entre el litio metálico y el conductor iónico (el electrolito sólido), junto con una pequeña cantidad de polímero o electrolito líquido para infiltrarse en el electrodo. /interfaz de electrolitos. Seleccionaron BN como capa protectora porque es química y mecánicamente estable con el litio metálico, lo que proporciona un alto grado de aislamiento electrónico.

Diseñaron la capa de BN para que tuviera defectos intrínsecos, a través de los cuales pueden pasar los iones de litio, lo que le permite servir como un excelente separador. Además, el BN se puede preparar fácilmente mediante deposición química de vapor para formar películas a gran escala (nivel de ~ dm), escala atómicamente delgada (nivel de ~ nm) y continuas.

Los investigadores ahora están ampliando su método a una amplia gama de electrolitos sólidos inestables y optimizando aún más la interfaz. Esperan fabricar baterías de estado sólido con alto rendimiento y ciclos de vida prolongados.

El estudio fue apoyado por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (FA9550-18-1-0410) y la Corporación de Investigación para el Avance de la Ciencia (Premio #26293), y el programa NSF MRSEC a través de Columbia en el Centro para el Ensamblaje de Precisión de Superstratic y Superatomic. Sólidos (DMR-1420634).

Recursos

Cheng, Qian et al. (2019) "Estabilización de la interfaz de ánodo de electrolito sólido en baterías de metal de litio mediante un recubrimiento de nanocompuesto a base de nitruro de boro" Jouledoi: 10.1016/j.joule.2019.03.022

Publicado el 23 abril 2019 en Baterías, Estado Sólido | Enlace permanente | Comentarios (0)