你知道鋰離子電池的二氧化硅的壽命如何延長嗎？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-24 18:01
點(diǎn)擊量：次
該團(tuán)隊(duì)為鋰離子電池制造了二氧化硅(SiO 2)納米管陽極，發(fā)現(xiàn)它們的儲(chǔ)能容量是目前使用的碳基陽極的三倍多。這對(duì)包括電子和電動(dòng)汽車在內(nèi)的行業(yè)具有重要意義，電子和電動(dòng)汽車總是試圖從電池中擠出更長的放電。
“我們正在采用與兒童玩具和醫(yī)療設(shè)備相同的材料，甚至快餐，并用它來制造下一代電池材料，”該研究剛剛發(fā)表的一篇論文的主要作者Zachary Favors說。
該論文“SiO 2納米管作為鋰離子電池的高性能陽極的穩(wěn)定循環(huán)”在線發(fā)表在Nature Scientific Reports上。
它由機(jī)械工程教授Cengiz S. Ozkan，電氣工程教授Mihrimah Ozkan以及他們現(xiàn)任和前任研究生的幾位合作撰寫：Wei Wang，Hamed Hosseinni Bay，Aaron George和Favors。
該團(tuán)隊(duì)最初專注于二氧化硅，因?yàn)樗且环N極其豐富的化合物，環(huán)保，無毒，并且在許多其他產(chǎn)品中也有發(fā)現(xiàn)。
二氧化硅先前已被用作鋰離子電池中的陽極材料，但是將材料合成為具有高能量密度和長循環(huán)壽命的高度均勻的外來納米結(jié)構(gòu)的能力受到限制。
關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)是二氧化硅納米管在電池中非常穩(wěn)定，這很重要，因?yàn)樗馕吨L的壽命。具體而言，SiO 2納米管陽極循環(huán)100次而沒有任何能量存儲(chǔ)能力的損失，并且作者非常有信心它們可以循環(huán)數(shù)百次。
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(shí)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)。Qian Cheng／Columbia Engineering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(duì)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(duì)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(gè)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(duì)這些挑戰(zhàn)，該團(tuán)隊(duì)與布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室（Brookhaven National Lab）和紐約城市大學(xué)（City University of New York）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(jì)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(gè)優(yōu)秀的分離器。
左圖顯示接觸到鋰金屬的磷酸鋁鈦鋰（LATP）顆粒會(huì)立即被還原，鋰與固體電解質(zhì)之間嚴(yán)重的副反應(yīng)會(huì)使電池在幾個(gè)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(shí)，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)。
此外，化學(xué)氣相沉積法制備氮化硼容易形成大尺度（～dm級(jí)）、原子薄尺度（～nm級(jí)）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(huì)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(duì)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。
