Equipe da Columbia usa nitreto de boro nano

Uma equipe da Columbia Engineering liderada por Yuan Yang, professor assistente de ciência e engenharia de materiais, desenvolveu um novo método para prolongar com segurança a vida útil da bateria, inserindo um nanorevestimento de nitreto de boro (BN) para estabilizar eletrólitos sólidos em baterias de lítio metálico. Suas descobertas são descritas em um novo estudo publicado na Joule.

Quando combinadas com eletrólito de polímero PEO de ~1–2 μm na interface Li/BN, as células simétricas Li/Li mostram uma vida útil de mais de 500 horas a 0,3 mA·cm−2. Em contraste, a mesma configuração com fosfato de lítio alumínio e titânio (LATP) morre após 81 horas. As baterias de estado sólido LiFePO4/LATP/BN/PEO/Li mostram alta capacidade de retenção de 96,6% após 500 ciclos.

Esquema do mecanismo de proteção do nitreto de boro (BN) e caracterização do nanofilme de BN. O visual esquerdo mostra que um pellet de fosfato de titânio e alumínio de lítio (LATP) que toca o metal de lítio será reduzido imediatamente. A reação colateral severa entre o lítio e o eletrólito sólido falhará a bateria em vários ciclos. A direita mostra que um filme BN artificial é quimicamente e mecanicamente robusto contra o lítio. Ele isola eletronicamente o LATP do lítio, mas ainda fornece caminhos iônicos estáveis ​​quando infiltrado por óxido de polietileno (PEO) e, portanto, permite um ciclo estável. Crédito: Qian Cheng/Columbia Engineering.

As baterias convencionais de íon de lítio (Li-ion) têm baixa densidade de energia, resultando em vida útil mais curta e, devido ao eletrólito líquido altamente inflamável dentro delas, podem entrar em curto e até pegar fogo.

A densidade de energia pode ser melhorada usando lítio metálico para substituir o ânodo de grafite usado em baterias de íons de lítio; a capacidade teórica do lítio metálico para a quantidade de carga que ele pode fornecer é quase 10 vezes maior que a do grafite. Mas durante o revestimento de lítio, os dendritos geralmente se formam e, se penetrarem no separador de membrana no meio da bateria, podem criar curtos-circuitos, levantando preocupações sobre a segurança da bateria.

Decidimos nos concentrar em eletrólitos cerâmicos sólidos. Eles são muito promissores em melhorar a segurança e a densidade de energia, em comparação com eletrólitos inflamáveis ​​convencionais em baterias de íons de lítio. Estamos particularmente interessados ​​em baterias recarregáveis ​​de estado sólido de lítio porque são candidatos promissores para o armazenamento de energia da próxima geração.

A maioria dos eletrólitos sólidos são cerâmicos e, portanto, não inflamáveis, eliminando preocupações de segurança. Além disso, os eletrólitos cerâmicos sólidos têm uma alta resistência mecânica que pode realmente suprimir o crescimento de dendritos de lítio, tornando o metal de lítio uma opção de revestimento para ânodos de bateria. No entanto, a maioria dos eletrólitos sólidos são instáveis ​​contra o Li - eles podem ser facilmente corroídos pelo lítio metálico e não podem ser usados ​​em baterias.

O lítio metálico é indispensável para aumentar a densidade de energia e, portanto, é fundamental que possamos usá-lo como ânodo para eletrólitos sólidos. Para adaptar esses eletrólitos sólidos instáveis ​​para aplicações da vida real, precisávamos desenvolver uma interface quimicamente e mecanicamente estável para proteger esses eletrólitos sólidos contra o ânodo de lítio. É essencial que a interface não só seja altamente isolante eletronicamente, mas também ionicamente condutora para transportar íons de lítio. Além disso, essa interface deve ser superfina para evitar a redução da densidade de energia das baterias.

Para enfrentar esses desafios, a equipe trabalhou com colegas do Brookhaven National Lab e da City University of New York. Eles depositaram nanofilme de nitreto de boro (BN) de 5 a 10 nm como uma camada protetora para isolar o contato elétrico entre o lítio metálico e o condutor iônico (o eletrólito sólido), juntamente com uma quantidade residual de polímero ou eletrólito líquido para infiltrar o eletrodo interface /eletrólito. Eles selecionaram o BN como camada protetora porque é quimicamente e mecanicamente estável com o lítio metálico, proporcionando um alto grau de isolamento eletrônico.

Eles projetaram a camada de BN para ter defeitos intrínsecos, através dos quais os íons de lítio podem passar, permitindo que ela sirva como um excelente separador. Além disso, o BN pode ser prontamente preparado por deposição de vapor químico para formar películas contínuas em grande escala (nível ~ dm), escala atomicamente fina (nível ~ nm).