Un film de nitrure de bore artificiel (BN) est chimiquement et mécaniquement résistant au lithium. Il isole électroniquement le phosphate de lithium aluminium et titane (LATP) du lithium, mais fournit toujours des voies ioniques stables lorsqu'il est infiltré par de l'oxyde de polyéthylène (PEO), et permet ainsi un cyclage stable. Crédit :Qian Cheng/Columbia Engineering
Le grand défi pour améliorer le stockage d'énergie et augmenter la durée de vie de la batterie, tout en garantissant un fonctionnement sûr, devient de plus en plus critique à mesure que nous devenons de plus en plus dépendants de cette source d'énergie pour tout, des appareils portables aux véhicules électriques. Une équipe Columbia Engineering dirigée par Yuan Yang, professeur assistant en science et ingénierie des matériaux, ont annoncé aujourd'hui avoir développé une nouvelle méthode pour prolonger en toute sécurité la durée de vie des batteries en insérant un nano-revêtement de nitrure de bore (BN) pour stabiliser les électrolytes solides dans les batteries au lithium métal. Leurs conclusions sont décrites dans une nouvelle étude publiée par Joule .
Alors que les batteries lithium-ion (Li-ion) conventionnelles sont actuellement largement utilisées dans la vie quotidienne, ils ont une faible densité énergétique, résultant en une durée de vie plus courte de la batterie, et, en raison de l'électrolyte liquide hautement inflammable à l'intérieur, ils peuvent court-circuiter et même prendre feu. La densité énergétique pourrait être améliorée en utilisant du lithium métal pour remplacer l'anode en graphite utilisée dans les batteries Li-ion :la capacité théorique du lithium métal pour la quantité de charge qu'il peut délivrer est près de 10 fois supérieure à celle du graphite. Mais pendant le placage au lithium, des dendrites se forment souvent et si elles pénètrent dans le séparateur à membrane au milieu de la batterie, ils peuvent créer des courts-circuits, soulevant des inquiétudes quant à la sécurité des batteries.
"Nous avons décidé de nous concentrer sur le solide, électrolytes céramiques. Ils sont très prometteurs pour améliorer à la fois la sécurité et la densité énergétique, par rapport au conventionnel, électrolytes inflammables dans les batteries Li-ion, ", déclare Yang. "Nous sommes particulièrement intéressés par les batteries rechargeables au lithium à semi-conducteurs car ce sont des candidats prometteurs pour le stockage d'énergie de nouvelle génération."
La plupart des électrolytes solides sont en céramique, et donc ininflammable, éliminer les problèmes de sécurité. En outre, les électrolytes céramiques solides ont une résistance mécanique élevée qui peut effectivement supprimer la croissance des dendrites de lithium, faisant du lithium métal une option de revêtement pour les anodes de batterie. Cependant, la plupart des électrolytes solides sont instables vis-à-vis du Li - ils peuvent être facilement corrodés par le lithium métal et ne peuvent pas être utilisés dans les batteries.
Le visuel de gauche montre qu'une pastille de phosphate de lithium aluminium et titane (LATP) qui touche le lithium métal sera immédiatement réduite. La réaction secondaire sévère entre le lithium et l'électrolyte solide fera échouer la batterie en plusieurs cycles. La droite montre qu'un film de BN artificiel est chimiquement et mécaniquement résistant au lithium. Il isole électroniquement le LATP du lithium, mais fournit toujours des voies ioniques stables lorsqu'il est infiltré par de l'oxyde de polyéthylène (PEO), et permet ainsi un cyclage stable. Crédit :Qian Cheng/Columbia Engineering
"Le lithium métal est indispensable pour améliorer la densité énergétique et il est donc essentiel que nous puissions l'utiliser comme anode pour les électrolytes solides, " dit Qian Cheng, l'auteur principal de l'article et un chercheur postdoctoral au département de physique appliquée et de mathématiques appliquées qui travaille dans le groupe de Yang. "Pour adapter ces électrolytes solides instables à des applications réelles, nous devions développer une interface chimiquement et mécaniquement stable pour protéger ces électrolytes solides contre l'anode de lithium. Il est essentiel que l'interface soit non seulement hautement isolante électroniquement, mais aussi conducteur ionique pour transporter les ions lithium. Plus, cette interface doit être ultra-fine pour éviter de diminuer la densité énergétique des batteries."
Pour relever ces défis, l'équipe a travaillé avec des collègues du Brookhaven National Lab et de la City University of New York. Ils ont déposé un nano-film de nitrure de bore (BN) de 5 à 10 nm en tant que couche protectrice pour isoler le contact électrique entre le lithium métal et le conducteur ionique (l'électrolyte solide), ainsi qu'une trace de polymère ou d'électrolyte liquide pour infiltrer l'interface électrode/électrolyte. Ils ont choisi le BN comme couche protectrice car il est chimiquement et mécaniquement stable avec le lithium métal, offrant un haut degré d'isolation électronique. Ils ont conçu la couche de BN pour avoir des défauts intrinsèques, à travers lequel peuvent passer les ions lithium, lui permettant de servir d'excellent séparateur. En outre, Le BN peut être facilement préparé par dépôt chimique en phase vapeur pour former à grande échelle (niveau ~dm), échelle atomiquement mince (niveau ~ nm), et films en continu.
"Alors que des études antérieures utilisaient des couches de protection polymères aussi épaisses que 200 m, notre film protecteur BN, à seulement 5~10 nm d'épaisseur, est d'une épaisseur record - à la limite de telles couches de protection - sans abaisser la densité énergétique des batteries, " Cheng dit. "C'est le matériau parfait pour fonctionner comme une barrière qui empêche l'invasion du lithium métal à l'électrolyte solide. Comme un gilet pare-balles, nous avons développé un "gilet" à l'épreuve du lithium-métal pour les électrolytes solides instables et, avec cette innovation, atteint des batteries au lithium métal à longue durée de vie."
Les chercheurs étendent maintenant leur méthode à une large gamme d'électrolytes solides instables et optimisent davantage l'interface. Ils s'attendent à fabriquer des batteries à semi-conducteurs avec des performances élevées et une longue durée de vie.
