你知道锂离子电池的二氧化硅的寿命如何延长吗？
来源：宝鄂实业
2019-04-24 18:01
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该团队为锂离子电池制造了二氧化硅(SiO 2)纳米管阳极，发现它们的储能容量是目前使用的碳基阳极的三倍多。这对包括电子和电动汽车在内的行业具有重要意义，电子和电动汽车总是试图从电池中挤出更长的放电。
“我们正在采用与儿童玩具和医疗设备相同的材料，甚至快餐，并用它来制造下一代电池材料，”该研究刚刚发表的一篇论文的主要作者Zachary Favors说。
该论文“SiO 2纳米管作为锂离子电池的高性能阳极的稳定循环”在线发表在Nature Scientific Reports上。
它由机械工程教授Cengiz S. Ozkan，电气工程教授Mihrimah Ozkan以及他们现任和前任研究生的几位合作撰写：Wei Wang，Hamed Hosseinni Bay，Aaron George和Favors。
该团队最初专注于二氧化硅，因为它是一种极其丰富的化合物，环保，无毒，并且在许多其他产品中也有发现。
二氧化硅先前已被用作锂离子电池中的阳极材料，但是将材料合成为具有高能量密度和长循环寿命的高度均匀的外来纳米结构的能力受到限制。
关键的发现是二氧化硅纳米管在电池中非常稳定，这很重要，因为它意味着更长的寿命。具体而言，SiO 2纳米管阳极循环100次而没有任何能量存储能力的损失，并且作者非常有信心它们可以循环数百次。
一种人造氮化硼（BN）薄膜在化学和机械上都能抵抗锂，它通过电子方式将磷酸铝钛锂（LATP）与锂隔离，但在被聚氧乙烯（PEO）渗透时仍能提供稳定的离子通道，从而实现稳定的循环。Qian Cheng／Columbia Engineering此外，固体陶瓷电解质具有较高的机械强度，实际上可以抑制锂枝晶的生长，使锂金属成为电池阳极的涂层选择。然而，大多数固体电解质对锂离子不稳定，易被金属锂腐蚀，不能用于电池。该论文的第一作者、应用物理和应用数学学系博士后科学家钱成（音译）说：锂金属对于提高能量密度是不可缺少的，所以我们能够将它用作固体电解质的阳极至关重要。为了使这些不稳定的固体电解质适应实际应用，需要开发一个化学和机械上稳定界面来保护这些固体电解质免受锂阳极的伤害。
为了运输锂离子，界面不仅要具有高度的电子绝缘性，而且还要具有离子导电性，这是至关重要的。此外，该接口必须超薄，以避免降低电池的能量密度。为了应对这些挑战，该团队与布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Lab）和纽约城市大学（City University of New York）同事合作。沉积了5～ 10nm的氮化硼（BN）纳米膜作为保护层，隔离金属锂与离子导体（固态电解质）之间的电接触，并加入少量聚合物或液体电解质渗入电极／电解质界面。选择BN作为保护层，因为它在化学和机械上与金属锂稳定，提供了高度的电子绝缘。设计氮化硼层具有内在缺陷，锂离子可以通过它，使它成为一个优秀的分离器。
左图显示接触到锂金属的磷酸铝钛锂（LATP）颗粒会立即被还原，锂与固体电解质之间严重的副反应会使电池在几个周期内发生故障。右边显示的是一种人造氮化硼薄膜，它在化学和机械上都能抵抗锂。它通过电子方式将LATP与锂隔离，但当被聚乙烯氧化物（PEO）渗透时，仍能提供稳定的离子通道，从而实现稳定的循环。
此外，化学气相沉积法制备氮化硼容易形成大尺度（～dm级）、原子薄尺度（～nm级）和连续薄膜。虽然早期研究使用厚度仅为200微米的聚合物保护层，但新研究厚度仅为5～10纳米的BN保护膜在这种保护层极限下仍然很薄，而不会降低电池的能量密度。这是一种完美的材料，可以作为一种屏障，防止金属锂侵入固态电解质。就像防弹背心一样，开发了一种针对不稳定固体电解质的锂金属防弹背心，通过这项创新，实现了长循环寿命的锂金属电池。研究人员目前正在将新方法扩展到不稳定固体电解质的广泛范围，并进一步优化界面，希望制造出高性能、长循环寿命的固态电池。
