Il team della Columbia utilizza il nitruro di boro nano

Un team della Columbia Engineering guidato da Yuan Yang, assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali, ha sviluppato un nuovo metodo per prolungare in modo sicuro la durata della batteria inserendo un nanorivestimento di nitruro di boro (BN) per stabilizzare gli elettroliti solidi nelle batterie al litio metallico. I loro risultati sono delineati in un nuovo studio pubblicato su Joule.

Se combinate con elettrolita polimerico PEO da ∼1–2 μm all'interfaccia Li/BN, le celle simmetriche Li/Li mostrano una durata del ciclo di oltre 500 ore a 0,3 mA·cm−2. Al contrario, la stessa configurazione con litio alluminio titanio fosfato (LATP) nudo muore dopo 81 ore. Le batterie allo stato solido LiFePO4/LATP/BN/PEO/Li mostrano un'elevata ritenzione della capacità del 96,6% dopo 500 cicli.

Schemi del meccanismo di protezione del nitruro di boro (BN) e caratterizzazioni del nanofilm BN. L'immagine a sinistra mostra che un pellet di litio alluminio titanio fosfato (LATP) che tocca il litio metallico verrà immediatamente ridotto. La grave reazione collaterale tra il litio e l'elettrolita solido danneggerà la batteria in diversi cicli. La destra mostra che un film BN artificiale è chimicamente e meccanicamente resistente al litio. Isola elettronicamente il LATP dal litio, ma fornisce comunque percorsi ionici stabili quando infiltrato da ossido di polietilene (PEO) e consente quindi un ciclo stabile. Credito: Qian Cheng/Columbia Engineering.

Le batterie convenzionali agli ioni di litio (Li-ion) hanno una bassa densità di energia, con conseguente durata della batteria più breve e, a causa dell'elettrolita liquido altamente infiammabile al loro interno, possono andare in cortocircuito e persino prendere fuoco.

La densità energetica potrebbe essere migliorata utilizzando il litio metallico per sostituire l’anodo di grafite utilizzato nelle batterie agli ioni di litio; La capacità teorica del litio metallico per la quantità di carica che può fornire è quasi 10 volte superiore a quella della grafite. Ma durante la placcatura al litio, spesso si formano dendriti che, se penetrano nella membrana separatore al centro della batteria, possono creare cortocircuiti, sollevando preoccupazioni sulla sicurezza della batteria.

Abbiamo deciso di concentrarci sugli elettroliti solidi ceramici. Si dimostrano molto promettenti nel migliorare sia la sicurezza che la densità energetica, rispetto agli elettroliti convenzionali e infiammabili nelle batterie agli ioni di litio. Siamo particolarmente interessati alle batterie al litio ricaricabili allo stato solido perché sono candidati promettenti per lo stoccaggio di energia di prossima generazione.

La maggior parte degli elettroliti solidi sono ceramici e quindi non infiammabili, eliminando i problemi di sicurezza. Inoltre, gli elettroliti ceramici solidi hanno un’elevata resistenza meccanica che può effettivamente sopprimere la crescita dei dendriti di litio, rendendo il litio metallico un’opzione di rivestimento per gli anodi delle batterie. Tuttavia, la maggior parte degli elettroliti solidi sono instabili rispetto al litio: possono essere facilmente corrosi dal litio metallico e non possono essere utilizzati nelle batterie.

Il litio metallico è indispensabile per migliorare la densità energetica e quindi è fondamentale poterlo utilizzare come anodo per elettroliti solidi. Per adattare questi elettroliti solidi instabili per applicazioni nella vita reale, avevamo bisogno di sviluppare un’interfaccia chimicamente e meccanicamente stabile per proteggere questi elettroliti solidi dall’anodo di litio. È essenziale che l'interfaccia non solo sia altamente isolante dal punto di vista elettronico, ma anche conduttrice di ioni per trasportare gli ioni di litio. Inoltre, questa interfaccia deve essere super sottile per evitare di ridurre la densità energetica delle batterie.

Per affrontare queste sfide, il team ha lavorato con i colleghi del Brookhaven National Lab e della City University di New York. Hanno depositato una nano-pellicola di nitruro di boro (BN) da 5 ~ 10 nm come strato protettivo per isolare il contatto elettrico tra il litio metallico e il conduttore ionico (l'elettrolita solido), insieme a una traccia di polimero o elettrolita liquido per infiltrare l'elettrodo /interfaccia elettrolita. Hanno scelto il BN come strato protettivo perché è chimicamente e meccanicamente stabile con il litio metallico e fornisce un elevato grado di isolamento elettronico.

Hanno progettato lo strato BN in modo che presenti difetti intrinseci, attraverso i quali possono passare gli ioni di litio, consentendogli di fungere da eccellente separatore. Inoltre, il BN può essere facilmente preparato mediante deposizione chimica in fase vapore per formare film su larga scala (livello ~ dm), scala atomicamente sottile (livello ~ nm) e continui.