Columbia-Team verwendet Bornitrid-Nano

Ein Columbia Engineering-Team unter der Leitung von Yuan Yang, Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und -technik, hat eine neue Methode zur sicheren Verlängerung der Batterielebensdauer entwickelt, indem eine Nanobeschichtung aus Bornitrid (BN) zur Stabilisierung von Festelektrolyten in Lithium-Metall-Batterien eingesetzt wird. Ihre Ergebnisse werden in einer neuen Studie dargelegt, die in Joule veröffentlicht wurde.

In Kombination mit ∼1–2 μm PEO-Polymerelektrolyt an der Li/BN-Grenzfläche zeigen symmetrische Li/Li-Zellen eine Zyklenlebensdauer von mehr als 500 Stunden bei 0,3 mA·cm−2. Im Gegensatz dazu stirbt die gleiche Konfiguration mit reinem Lithiumaluminiumtitanphosphat (LATP) nach 81 Stunden ab. Die LiFePO4/LATP/BN/PEO/Li-Festkörperbatterien weisen nach 500 Zyklen eine hohe Kapazitätserhaltung von 96,6 % auf.

Schematische Darstellung des Schutzmechanismus von Bornitrid (BN) und Charakterisierung von BN-Nanofilmen. Das linke Bild zeigt, dass ein Lithiumaluminiumtitanphosphat (LATP)-Pellet, das mit Lithiummetall in Berührung kommt, sofort reduziert wird. Die schwere Nebenreaktion zwischen Lithium und Festelektrolyt führt in mehreren Zyklen zum Ausfall der Batterie. Die rechte Seite zeigt, dass ein künstlicher BN-Film chemisch und mechanisch robust gegenüber Lithium ist. Es isoliert LATP elektronisch von Lithium, bietet aber bei Infiltration mit Polyethylenoxid (PEO) immer noch stabile Ionenwege und ermöglicht so einen stabilen Kreislauf. Bildnachweis: Qian Cheng/Columbia Engineering.

Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) haben eine geringe Energiedichte, was zu einer kürzeren Batterielebensdauer führt und aufgrund des leicht entzündlichen flüssigen Elektrolyten in ihnen zu Kurzschlüssen und sogar zu Feuer führen kann.

Die Energiedichte könnte durch die Verwendung von Lithiummetall als Ersatz für die in Li-Ionen-Batterien verwendete Graphitanode verbessert werden. Die theoretische Kapazität von Lithiummetall für die Menge an Ladung, die es liefern kann, ist fast zehnmal höher als die von Graphit. Doch beim Lithium-Plattieren bilden sich häufig Dendriten, und wenn sie den Membranseparator in der Mitte der Batterie durchdringen, können sie Kurzschlüsse verursachen, was Bedenken hinsichtlich der Batteriesicherheit aufkommen lässt.

Wir haben uns entschieden, uns auf feste, keramische Elektrolyte zu konzentrieren. Im Vergleich zu herkömmlichen, brennbaren Elektrolyten in Li-Ionen-Batterien sind sie vielversprechend hinsichtlich der Verbesserung sowohl der Sicherheit als auch der Energiedichte. Unser besonderes Interesse gilt wiederaufladbaren Festkörper-Lithiumbatterien, da sie vielversprechende Kandidaten für die Energiespeicherung der nächsten Generation sind.

Die meisten Festelektrolyte bestehen aus Keramik und sind daher nicht brennbar, sodass keine Sicherheitsbedenken bestehen. Darüber hinaus verfügen feste Keramikelektrolyte über eine hohe mechanische Festigkeit, die das Wachstum von Lithiumdendriten tatsächlich unterdrücken kann, was Lithiummetall zu einer Beschichtungsoption für Batterieanoden macht. Allerdings sind die meisten Festelektrolyte gegenüber Li instabil – sie können durch Lithiummetall leicht korrodiert werden und können nicht in Batterien verwendet werden.

Lithiummetall ist für die Erhöhung der Energiedichte unverzichtbar und daher ist es von entscheidender Bedeutung, dass wir es als Anode für Festelektrolyte verwenden können. Um diese instabilen Festelektrolyte für reale Anwendungen anzupassen, mussten wir eine chemisch und mechanisch stabile Schnittstelle entwickeln, um diese Festelektrolyte vor der Lithiumanode zu schützen. Für den Transport von Lithiumionen ist es wichtig, dass die Grenzfläche nicht nur elektronisch hochisolierend, sondern auch ionisch leitend ist. Außerdem muss diese Schnittstelle superdünn sein, um die Energiedichte der Batterien nicht zu senken.

Um diese Herausforderungen anzugehen, arbeitete das Team mit Kollegen am Brookhaven National Lab und der City University of New York zusammen. Sie lagerten einen 5–10 nm dicken Bornitrid (BN)-Nanofilm als Schutzschicht ab, um den elektrischen Kontakt zwischen Lithiummetall und dem Ionenleiter (dem Festelektrolyten) zu isolieren, zusammen mit einer Spurenmenge Polymer oder Flüssigelektrolyt, um die Elektrode zu infiltrieren /Elektrolyt-Schnittstelle. Sie wählten BN als Schutzschicht, weil es mit Lithiummetall chemisch und mechanisch stabil ist und ein hohes Maß an elektronischer Isolierung bietet.

Sie haben die BN-Schicht so konzipiert, dass sie intrinsische Defekte aufweist, durch die Lithiumionen hindurchtreten können, wodurch sie als hervorragender Separator dienen kann. Darüber hinaus kann BN leicht durch chemische Gasphasenabscheidung hergestellt werden, um großflächige (~dm-Bereich), atomar dünne (~nm-Bereich) und kontinuierliche Filme zu bilden.

Nun weiten die Forscher ihre Methode auf ein breites Spektrum instabiler Festelektrolyte aus und optimieren die Grenzfläche weiter. Sie erwarten, Festkörperbatterien mit hoher Leistung und langer Lebensdauer herzustellen.

Die Studie wurde vom Air Force Office of Scientific Research (FA9550-18-1-0410) und der Research Corporation for Science Advancement (Auszeichnung Nr. 26293) sowie dem NSF MRSEC-Programm durch Columbia im Center for Precision Assembly of Superstratic and Superatomic unterstützt Feststoffe (DMR-1420634).

Ressourcen

Cheng, Qian et al. (2019) „Stabilisierung der Grenzfläche zwischen Festelektrolyt und Anode in Li-Metall-Batterien durch Nanokompositbeschichtung auf Bornitridbasis“ Jouledoi: 10.1016/j.joule.2019.03.022

Gepostet am 23. April 2019 in Batterien, Festkörperbatterien | Permalink | Kommentare (0)