Una película de nitruro de boro artificial (BN) es química y mecánicamente resistente al litio. Aísla electrónicamente el fosfato de litio, aluminio y titanio (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
El gran desafío de mejorar el almacenamiento de energía y aumentar la vida útil de la batería, garantizando al mismo tiempo un funcionamiento seguro, se está volviendo cada vez más crítico a medida que dependemos cada vez más de esta fuente de energía para todo, desde dispositivos portátiles hasta vehículos eléctricos. Un equipo de ingeniería de Columbia dirigido por Yuan Yang, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales, anunció hoy que han desarrollado un nuevo método para prolongar de forma segura la vida útil de la batería mediante la inserción de un nano revestimiento de nitruro de boro (BN) para estabilizar los electrolitos sólidos en las baterías de metal de litio. Sus hallazgos se describen en un nuevo estudio publicado por Joule .
Si bien las baterías convencionales de iones de litio (Li-ion) se utilizan ampliamente en la vida diaria, tienen baja densidad energética, resultando en una vida más corta de la batería, y, debido al electrolito líquido altamente inflamable que contienen, pueden provocar 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 metal de litio para la cantidad de carga que puede entregar es casi 10 veces mayor que la del grafito. Pero durante el recubrimiento de litio, a menudo se forman dendritas y si penetran en el separador de membrana en el medio de la batería, pueden crear cortocircuitos, planteando preocupaciones sobre la seguridad de la batería.
"Decidimos centrarnos en sólidos, electrolitos cerámicos. Muestran una gran promesa para mejorar tanto la seguridad como la densidad de energía, en comparación con los convencionales, electrolitos inflamables en baterías de iones de litio, ", dice Yang." Estamos particularmente interesados en las baterías de litio de estado sólido recargables porque son candidatos prometedores para el almacenamiento de energía de próxima generación ".
La mayoría de los electrolitos sólidos son cerámicos, y por lo tanto no inflamable, eliminando preocupaciones de seguridad. Además, Los electrolitos de cerámica sólida tienen una alta resistencia mecánica que en realidad puede suprimir el crecimiento de dendrita de litio. haciendo del metal de litio una opción de recubrimiento para los ánodos de las baterías. Sin embargo, la mayoría de los electrolitos sólidos son inestables frente al Li; pueden corroerse fácilmente con el metal litio y no pueden usarse en baterías.
La imagen de la izquierda muestra que una pastilla de fosfato de litio, aluminio y titanio (LATP) que toca el metal de litio se reducirá inmediatamente. La reacción secundaria severa 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
"El metal de litio es indispensable para mejorar la densidad de energía, por lo que es fundamental que podamos utilizarlo como ánodo para electrolitos sólidos, "dice Qian Cheng, autor principal del artículo y científico investigador postdoctoral en el departamento de física aplicada y matemáticas aplicadas que trabaja en el grupo de Yang. "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, pero también de conducción iónica para transportar iones de litio. Más, esta interfaz tiene que ser muy delgada para evitar reducir la densidad de energía de las baterías ".
Para abordar estos desafíos, el equipo trabajó con colegas del Brookhaven National Lab y de la City University of New York. Ellos depositaron nano-película de nitruro de boro (BN) de 5 ~ 10 nm como una capa protectora para aislar el contacto eléctrico entre el metal de litio y el conductor iónico (el electrolito sólido), junto con una pequeña cantidad de polímero o electrolito líquido para infiltrar la interfaz electrodo / electrolito. Seleccionaron BN como capa protectora porque es química y mecánicamente estable con el metal litio, proporcionando un alto grado de aislamiento electrónico. Diseñaron la capa BN para que tuviera defectos intrínsecos, a través del cual pueden pasar los iones de litio, lo que le permite servir como un excelente separador. Además, BN se puede preparar fácilmente mediante deposición química de vapor para formar a gran escala (nivel ~ dm), escala atómicamente delgada (nivel ~ nm), y películas continuas.
"Si bien los estudios anteriores utilizaron capas de protección poliméricas de hasta 200 μm, nuestra película protectora BN, con solo 5 ~ 10 nm de espesor, es récord, en el límite de tales capas de protección, sin reducir la densidad de energía de las baterías, ", Dice Cheng." Es el material perfecto para funcionar como una barrera que previene la invasión del metal de litio al electrolito sólido. Como un chaleco antibalas Hemos desarrollado un 'chaleco' a prueba de litio-metal para electrolitos sólidos inestables y, con esa innovación, consiguió baterías de metal de litio de larga duración ".
Los investigadores ahora están ampliando su método a una amplia gama de electrolitos sólidos inestables y optimizan aún más la interfaz. Esperan fabricar baterías de estado sólido con alto rendimiento y vida útil de ciclo largo.
