O grande desafio para melhorar o armazenamento de energia e aumentar a vida útil da bateria, ao mesmo tempo em que garante uma operação segura, está se tornando cada vez mais importante à medida que dependemos cada vez mais dessa fonte de energia para tudo, desde dispositivos portáteis a veículos elétricos. Uma equipe de engenharia da Columbia liderada por Yuan Yang, professor assistente de ciência e engenharia de materiais, anunciaram hoje que desenvolveram um novo método para prolongar com segurança a vida útil da bateria, inserindo um nano-revestimento de nitreto de boro (BN) para estabilizar eletrólitos sólidos em baterias de metal de lítio. Suas descobertas são descritas em um novo estudo publicado pela Joule .

Embora as baterias convencionais de íon de lítio (Li-ion) sejam amplamente utilizadas na vida diária, eles têm baixa densidade de energia, resultando em menor vida útil da bateria, e, por causa do eletrólito líquido altamente inflamável dentro deles, eles podem entrar em curto e até pegar fogo. A densidade de energia poderia ser melhorada com o uso de metal de lítio para substituir o ânodo de grafite usado em baterias de íon-lítio:a capacidade teórica do metal de lítio para a quantidade de carga que pode fornecer é quase 10 vezes maior do que a do grafite. Mas durante o revestimento de lítio, dendritos freqüentemente se formam e se eles penetram no separador de membrana no meio da bateria, eles podem criar curto-circuitos, levantando preocupações sobre a segurança da bateria.

"Decidimos focar em sólidos, eletrólitos cerâmicos. Eles mostram uma grande promessa na melhoria da segurança e densidade de energia, em comparação com o convencional, eletrólitos inflamáveis ​​em baterias de íon-lítio, "diz Yang." Estamos particularmente interessados ​​em baterias recarregáveis ​​de lítio de estado sólido porque são candidatas promissoras para armazenamento de energia de próxima geração. "

A maioria dos eletrólitos sólidos são de cerâmica, e, portanto, não inflamável, eliminando preocupações de segurança. Além disso, eletrólitos de cerâmica sólida têm uma alta resistência mecânica que pode realmente suprimir o crescimento de dendrito de lítio, tornando o metal de lítio uma opção de revestimento para ânodos de bateria. Contudo, a maioria dos eletrólitos sólidos é instável contra o Li - eles podem ser facilmente corroídos pelo metal de lítio e não podem ser usados ​​em baterias.

"O metal de lítio é indispensável para aumentar a densidade de energia e, portanto, é fundamental que possamos usá-lo como ânodo para eletrólitos sólidos, "diz Qian Cheng, o autor principal do artigo e um cientista pesquisador de pós-doutorado no departamento de física aplicada e matemática aplicada que trabalha no grupo de Yang. "Para adaptar esses eletrólitos sólidos instáveis ​​para aplicações da vida real, precisávamos desenvolver uma interface química e mecanicamente estável para proteger esses eletrólitos sólidos contra o ânodo de lítio. É essencial que a interface não seja apenas altamente isolante eletronicamente, mas também ionicamente condutor para transportar íons de lítio. Mais, 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 5 ~ 10 nm de nitreto de boro (BN) nano-filme como uma camada protetora para isolar o contato elétrico entre o metal de lítio e o condutor iônico (o eletrólito sólido), junto com uma quantidade residual de polímero ou eletrólito líquido para infiltrar a interface eletrodo / eletrólito. Eles selecionaram o BN como camada protetora porque é química e mecanicamente estável com o metal de lítio, fornecendo um alto grau de isolamento eletrônico. Eles projetaram a camada BN para ter defeitos intrínsecos, através do qual os íons de lítio podem passar, permitindo que sirva como um excelente separador. Além disso, BN pode ser prontamente preparado por deposição de vapor químico para formar em larga escala (nível ~ dm), escala atomicamente fina (nível ~ nm), e filmes contínuos.

"Embora estudos anteriores usassem camadas de proteção poliméricas com espessura de 200 μm, nosso filme protetor BN, em apenas 5 ~ 10 nm de espessura, tem uma espessura recorde - no limite de tais camadas de proteção - sem reduzir a densidade de energia das baterias, "Cheng diz." É o material perfeito para funcionar como uma barreira que evita a invasão do metal de lítio ao eletrólito sólido. Como um colete à prova de balas, desenvolvemos um 'colete' à prova de metal de lítio para eletrólitos sólidos instáveis ​​e, com essa inovação, alcançou baterias de metal de lítio de longa vida útil. "

Os pesquisadores agora estão estendendo seu método a uma ampla gama de eletrólitos sólidos instáveis ​​e otimizando ainda mais a interface. Eles esperam fabricar baterias de estado sólido com alto desempenho e longa vida útil.