コロンビアチームは窒化ホウ素ナノを使用

材料科学工学の助教授ユアン・ヤン率いるコロンビアエンジニアリングチームは、リチウム金属電池の固体電解質を安定化させるために窒化ホウ素（BN）のナノコーティングを挿入することにより、電池寿命を安全に延長する新しい方法を開発した。 彼らの発見は、ジュール誌に掲載された新しい研究で概説されています。

Li/BN界面で約1～2μmのPEOポリマー電解質と組み合わせると、Li/Li対称電池は0.3mA・cm-2で500時間以上のサイクル寿命を示します。 対照的に、裸のリチウム アルミニウム チタン リン酸塩 (LATP) を使用した同じ構成は 81 時間後に消滅します。 LiFePO4/LATP/BN/PEO/Li 固体電池は、500 サイクル後でも 96.6% という高い容量維持率を示します。

窒化ホウ素 (BN) の保護機構の概略図と BN ナノフィルムの特性評価。 左の図は、リン酸リチウム アルミニウム チタン (LATP) ペレットが金属リチウムに触れるとすぐに還元されることを示しています。 リチウムと固体電解質の間の深刻な副反応により、バッテリーは数サイクルで故障します。 右は、人工 BN 膜がリチウムに対して化学的および機械的に堅牢であることを示しています。 LATP をリチウムから電子的に分離しますが、ポリエチレンオキシド (PEO) が浸透しても安定したイオン経路を提供するため、安定したサイクリングが可能になります。 クレジット: Qian Cheng/Columbia Engineering。

従来のリチウムイオン (Li-ion) バッテリーはエネルギー密度が低いため、バッテリー寿命が短くなり、内部に可燃性の高い電解質が含まれているため、ショートして発火する可能性もあります。

エネルギー密度は、リチウムイオン電池で使用される黒鉛負極の代わりにリチウム金属を使用することで改善できる可能性があります。 リチウム金属が供給できる理論上の充電量は、グラファイトのほぼ 10 倍です。 しかし、リチウムメッキ中に樹枝状結晶が形成されることが多く、樹枝状結晶が電池の中央にある膜セパレータを貫通すると短絡が生じる可能性があり、電池の安全性に対する懸念が生じます。

私たちは固体セラミック電解質に焦点を当てることにしました。 これらは、リチウムイオン電池の従来の可燃性電解質と比較して、安全性とエネルギー密度の両方を向上させる上で大きな期待を示しています。 当社は、次世代エネルギー貯蔵の有望な候補である再充電可能な全固体リチウム電池に特に関心を持っています。

ほとんどの固体電解質はセラミックであるため不燃性であり、安全性への懸念がありません。 さらに、固体セラミック電解質は、リチウムデンドライトの成長を実際に抑制できる高い機械的強度を備えているため、リチウム金属が電池陽極のコーティングオプションになります。 しかし、ほとんどの固体電解質はリチウムに対して不安定で、リチウム金属によって容易に腐食される可能性があり、電池には使用できません。

リチウム金属はエネルギー密度の向上に不可欠であるため、固体電解質の負極として使用できることが重要です。 これらの不安定な固体電解質を実際の用途に適応させるには、これらの固体電解質をリチウムアノードから保護する化学的および機械的に安定した界面を開発する必要がありました。 界面は電子絶縁性が高いだけでなく、リチウムイオンを輸送するためにイオン伝導性であることが不可欠です。 さらに、バッテリーのエネルギー密度の低下を避けるために、このインターフェースは超薄型である必要があります。

これらの課題に対処するために、チームはブルックヘブン国立研究所およびニューヨーク市立大学の同僚と協力しました。 彼らは、電極に浸透させるための微量のポリマーまたは液体電解質とともに、リチウム金属とイオン伝導体（固体電解質）の間の電気的接触を隔離する保護層として5〜10 nmの窒化ホウ素（BN）ナノフィルムを蒸着しました。 /電解質インターフェース。 彼らは、BN がリチウム金属に対して化学的および機械的に安定しており、高度な電子絶縁性を提供するため、保護層として BN を選択しました。

彼らは、リチウムイオンが通過できる固有の欠陥を持つように BN 層を設計し、優れたセパレータとして機能できるようにしました。 さらに、BN は化学蒸着によって容易に調製でき、大規模 (~dm レベル)、原子的に薄いスケール (~nm レベル)、および連続膜を形成できます。

研究者らは現在、その手法を広範囲の不安定な固体電解質に拡張し、界面をさらに最適化している。 彼らは、高性能でサイクル寿命が長い全固体電池の製造を期待しています。

この研究は、空軍科学研究局 (FA9550-18-1-0410) および科学進歩研究法人 (賞 #26293)、およびコロンビアを通じた超層構造および超原子精密組立センターの NSF MRSEC プログラムによって支援されました。固体 (DMR-1420634)。

リソース

チェン、銭ら。 (2019) 「窒化ホウ素ベースのナノ複合コーティングによるリチウム金属電池の固体電解質 - アノード界面の安定化」 Jouledoi: 10.1016/j.joule.2019.03.022

投稿日: 2019 年 4 月 23 日 in バッテリー, ソリッドステート | パーマリンク | コメント (0)